摘要：2025年3月26日，《自然》期刊发表了一项量子计算领域的里程碑研究：来自摩根大通、Quantinuum、美国国家实验室及得克萨斯大学奥斯汀分校的联合团队，首次利用56量子比特的量子计算机生成可被经典超算验证的「认证随机数」。这项成果标志着量子计算从理论优势迈

2025年3月26日，《自然》期刊发表了一项量子计算领域的里程碑研究：来自摩根大通、Quantinuum、美国国家实验室及得克萨斯大学奥斯汀分校的联合团队，首次利用56量子比特的量子计算机生成可被经典超算验证的「认证随机数」。这项成果标志着量子计算从理论优势迈向实际应用的关键转折——毕竟连爱因斯坦都曾质疑量子世界的随机性是否真实存在。

图释：使用 56 量子比特量子计算机，研究人员首次实验展示了一种从量子计算机生成随机数，然后使用经典超级计算机证明它们是真正随机且新鲜生成的方法。信用：Quantinuum

图释：协议概述。图片来源：自然 （2025）。DOI： 10.1038/s41586-025-08737-1

​传统计算机无法生成真正的随机数，它们依赖物理噪声（如电路热扰动）或算法伪随机数，但都可能被攻击者预测或操控。量子力学的核心特性之一——测量导致量子态坍缩——提供了理论上不可预测的随机性。早在2018年，得州大学教授Scott Aaronson就提出利用量子随机电路采样（RCS）生成可验证随机数的协议，但当时硬件水平仅停留在个位数量子比特。

此次实验中，团队使用Quantinuum的H2型离子阱量子计算机（2024年升级至56量子比特），通过RCS生成随机数序列，再调用总计1.1 ExaFLOPS算力的超算集群（橡树岭、阿贡实验室等）进行验证。结果显示，量子设备输出的71313位熵值无法被任何经典算法模拟，且即使量子计算机被劫持，攻击者也无法伪造随机性。这种「生成即证明」的模式，为金融加密等场景提供了颠覆性工具。

量子霸权（又称量子优越性）的验证曾是学界焦点。谷歌2019年用53量子比特的Sycamore处理器在随机电路采样任务上实现万倍于超算的速度，中国科大的「祖冲之二号」则在2021年以超导路线达成同类突破。但这些演示多限于特定计算任务，缺乏实际应用接口。

本次研究的创新在于将RCS与认证协议结合，使量子计算的算力转化为可被传统系统调用的安全资源。Quantinuum的H2处理器凭借离子阱技术的高保真度（错误率低于0.1%）和全连接架构（任意两量子比特可直接耦合），将采样效率提升至经典方法的百倍以上。相较之下，中国2024年底发布的105量子比特「祖冲之三号」虽在比特数上领先，但尚未公开类似认证随机数的应用案例。

尽管进展显著，量子随机数的大规模应用仍需突破两大瓶颈：

1. 量子比特规模：现有56量子比特系统单次生成熵值有限，需重复运行积累数据。若要替代当前互联网每秒数万亿次的随机数需求，量子处理器需实现千比特级集成。谷歌计划2030年前打造百万物理量子比特的容错计算机，而中国「祖冲之三号」已着手研发码距为7的表面码逻辑比特，试图通过纠错技术提升稳定性。

2. 经典验证效率：此次认证消耗了1.1 ExaFLOPS算力，相当于全球前十超算的联合运算。若未来量子比特增至数百，经典验证成本将呈指数增长，可能催生「量子-经典」混合验证协议的新研究方向。

当量子随机数成为加密基石，人类社会的基础协议——从区块链到密码投票——都将重构。这项研究不仅验证了量子计算的实用性，更揭示了其与经典计算生态的融合路径。“我们不再问量子计算机能做什么，而是开始回答它该怎么做。”

参考文献：

Marco Pistoia, Certified randomness using a trapped-ion quantum processor, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08737-1 . www.nature.com/articles/s41586-025-08737-1

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来源：科学剃刀