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亚马逊的研究人员将里格蒂和IonQ的量子处理器组合在一起，生成作为加密密钥基础的随机数。

结合了两台量子计算机的功能，亚马逊量子部门Braket的一名研究人员提出了一种新方法，可以创建真正的随机数，以保护从区块链账本到政府机密的在线敏感数据。

亚马逊的研究科学家马里奥·贝尔塔（Mario Berta）将里格蒂（Rigetti）和IonQ（IonQ）的量子处理器组合在一起，它们都可以通过该公司基于云的量子计算服务生成作为加密密钥基础的随机数。

这些密钥反过来可以用于加密关键数据，通过将信息编码成不可读的mush，供任何人使用，只有配备了相应密钥的人才能解码消息。

随机性在密码学中起着基础作用：密钥越随机，恶意参与者试图获取数据时越难破解。

生成随机数的方法有很多，最简单的方法就是掷硬币，并为两个可能的结果赋值0或1。重复这个过程很多次，你会发现你自己有一个完全随机的比特串，你可以把它变成一个安全的加密密钥。

然而，手动翻转硬币不足以满足对数据安全的大规模需求。这就是为什么现代密码学依赖于被称为随机数生成器的新技术，随机数生成器创建用于产生强加密密钥的比特流。

多亏了量子处理器，贝尔塔现在实现了这一目标。”“量子随机数生成器（QRNG）有望增强某些用例的安全性，”Berta在一篇博客文章中说。

当然，安全专家并没有等到量子计算机出现，才开始研究加密密钥的随机数生成。

多年来，人们一直使用经典的系统，用环形振荡器代替投币，环形振荡器以几位的形式产生随机性种子。该种子值随后由伪随机数生成器（PRNG）处理，该生成器使用软件算法生成比原始随机数具有相似统计特性的更长的数字序列。

但该方法有其缺点。例如，环形振荡器的行为方式是拥有强大计算能力的攻击者可以预测的；而基于计算假设的PRNG也有被黑客猜测的风险。换句话说，由经典方法产生的随机性只是部分随机性，这意味着原则上可以从数学上解决在数字之上创建的加密密钥。

与量子生成的数字相比，这就不太可能了。”利用微观小系统物理固有的不可预测性，量子技术可以解决产生随机性的经典技术的这些潜在弱点，伯塔说。

伯塔利用了量子物理固有的一种特性，量子粒子通过这种特性存在于一种称为叠加的特殊量子态中。在量子计算机中，这意味着量子比特（或量子位）可以同时是0和1的值，但一旦被测量，它们就会塌陷为任意一个值。

然而，量子位塌陷为0还是1是随机的。这意味着，即使拥有关于量子态的完整信息，也不可能预先知道量子比特在测量时会崩溃到哪个值。因此，给定数量的量子位可以提供具有相同数量的完全随机值的一串位。”因此，独特的量子特性允许创造新产生的随机性，这是任何其他人都无法事先知道的，”Berta说。

问题在于，今天的量子计算机不可靠且噪声大，这可能改变量子效应的随机性，并挫败整个实验点。此外：有关噪声的信息可能会泄漏到环境中，这意味着潜在的黑客可以找到他们需要的数据，以计算在量子处理器中获得的测量结果。

为了解决这个问题，伯塔使用两个量子处理器来产生两个独立的位串，他称之为“弱”。然后，字符串由一种称为随机性提取器（RE）的经典算法处理，该算法可以将多个弱随机比特源组合成一个几乎完全随机的输出字符串。

与经典方法不同，后处理不涉及任何计算假设，黑客可能会破解这些假设。相反，REs压缩了来自不同来源的物理随机性。

“因此，两个仅为弱随机的独立来源通过这些算法压缩为一个（几乎）完全随机的输出，”Berta说重要的是，在不引入计算假设的情况下，输出会变成真正的物理随机。”

Berta预测，随着QRNG变得更便宜、更容易获得，它们可能在高安全性应用中发挥重要作用，特别是当经典方法的缺陷变得更加明显时。

例如，今年早些时候，安全公司Bishop Fox的研究人员发现，由于一个经典的生成器无法生成足够随机的数字来保护敏感数据，多达350亿台物联网设备处于危险之中。

随着计算能力的提高，随机数生成器攻击肯定会成倍增加，使现有的加密方案不安全。

然而，当前加密协议过时的前景仍然很遥远。这需要黑客可以获得巨大的计算能力来破解当今的加密密钥——预计有一天量子计算机会释放出这种能力，但至少要过十年。

“这项产生随机性的经典技术的最先进实现足以满足当今几乎所有的需求，“Berta说。

仍然有越来越多的公司在考虑更长远的问题，并且已经开始通过增加加密密钥的随机性来加强安全协议。例如，Verizon最近在伦敦和弗吉尼亚州的阿什本之间试办了一个“量子安全”VPN；量子软件公司Cambridge quantum正在研究一种方法来证明存储在区块链中的关键信息的未来性。

Berta则鼓励Braket用户自己动手，直接在AWS的量子云服务中尝试生成随机数。更多信息可在Braket Github存储库中找到。

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2023-03-22 10:04:42