Physical Randomness Extractors: Generating Random Numbers with Minimal Assumptions
如何用最少的假设产生可证明的真实随机性？这个问题不仅对信息处理的效率和安全性很重要，而且对理解自然界中极端不可预测的事件是如何发生的也很重要。所有现有的解决方案都要求初始随机源具有特殊的结构，或者两个或多个随机源之间具有一定的独立关系。这两种假设都不可能在实践中得到检验和保证。在这里，我们将展示如何通过提取器来规避这一基本限制，这些提取器将安全性建立在物理定律的有效性基础上，并从不可信的量子设备中提取随机性。结合Miller和Shi最近的工作（arXiv：1402：0489），我们的物理随机性提取器仅使用单个和一般的弱源，产生任意长且接近均匀的输出，具有接近最优的误差，可以抵御强大的量子对手，并容忍恒定的实现不精确性。源必须对设备不可预测，但否则甚至可以被对手知道。我们的核心技术的贡献，等价引理，提供了一个一般原则证明组合安全的不受信任的设备协议。这意味着可以通过交叉馈送任何两个扩展协议来简单地实现无界随机性扩展。特别是，这种无界扩展可以是鲁棒的，这是第一次知道。另一个重要的含义是，它使安全的随机性生成和密钥分发使用公共随机性，如NIST的随机性信标广播。我们的协议还提供了一种方法，用于反驳本地隐藏变量理论下的一个弱假设的可用随机性选择的测量设置。
2015-05-14 quant-ph
Multi-Source Randomness Extractors Against Quantum Side Information, and their Applications
研究了在量子环境下构造多源抽取器的问题，该抽取器可以从多个初始独立的经典随机源中抽取几乎均匀的随机比特.这是种子随机性提取对量子边信息和经典独立源提取的自然推广。随着新的挑战，例如边信息中的潜在纠缠，量子多源提取器在什么条件下存在并不是一个先验清楚的;唯一的先前工作是[KK 12]，其中[CG 88]和[DEOR 04]的经典内积两源提取器在受限独立附着（IA）模型和纠缠有界存储（BS）模型中被证明是量子安全的。在本文中，我们提出了一个新的模型称为广义纠缠（GE）粘附模型，它允许在边信息的任意纠缠和包容IA模型和BS模型。我们继续展示如何构建GE安全的量子多源提取器。为此，我们提出了另一种称为单侧粘附（OA）模型的模型，该模型比上述所有模型都弱。令人惊讶的是，我们建立强OA安全和强GE安全之间的等价性。因此，所有经典的多源提取器可以直接工作，或被修改为在GE模型中工作，代价是一个额外的随机源。因此，我们的构造基本上与经典多源提取器的最佳已知构造相匹配。我们也将我们的技术应用于密码学和分布式计算中的两个重要问题-隐私放大和网络抽取器。我们证明，只要源在我们的GE模型中具有一定量的条件最小熵（即使有纠缠的量子边信息），我们就可以设计非常有效的隐私放大协议和网络提取器。
2014-11-10 cs.CC quant-ph
Improved Two-source Extractors against Quantum Side Information
本文证明了 Dodis 等人的双源提取器在面对量子边信息时性能与经典领域同样出色，并推导出新量子 XOR 引理以重新推导通用归约并改进一大类提取器。
2025-03-07 cs.CR quant-ph
High-rate and computationally-efficient seedless extractors for device-independent quantum cryptography
University College London（伦敦大学学院）；Quantinuum；London Centre for Nanotechnology, University College London（伦敦大学学院伦敦纳米技术中心）
提出一种基于截断方法的无种子提取器新证明技术，以渐近消失的轮次比例估计协议参数，实现每单重态一个密钥比特的最优速率。
2026-08-10 quant-ph
Variations on Classical and Quantum Extractors
已知随机性提取器的许多构造在存在量子边信息的情况下工作，但是也存在不工作的提取器[Gavinsky { \it et al.}，STOC'07]。在这里，我们发现，光谱提取器$ψ$上的第二大本征值$λ_{2}(ψ^{\dagger}\circψ)$的限制是量子证明。然后，我们讨论完全量子提取器和调用结构，也工作在量子关联去耦的存在。在经典的情况下，我们表明，光谱提取器去耦。经典和量子光谱提取器的缺点是它们总是具有长种子，而存在具有指数较小种子大小的经典提取器。对于量子的情况下，我们表明，存在一个提取器具有极短的种子大小$d=O(\log(1/ε))$，其中$ε>0$表示的随机性的质量。与经典的情况相比，这是独立的输入大小和最小熵，并匹配简单的下限$d\geq\log(1/ε)$。
2014-02-13 quant-ph
Improved Real-time Post-Processing for Quantum Random Number Generators
本文针对可信设备量子随机数发生器将原始数据刻画为反向块源，提出两种抗量子实时逐块提取器，在相同种子长度下实现更高提取速度和更长输出，模拟速度达300 Gbps。
2024-01-12 quant-ph
A modular framework for randomness extraction based on Trevisan's construction
非正式地，提取器从可能远离均匀分布的源提供完美的随机性，但包含一些随机性。这个任务是任何试图产生完美的随机数的关键因素-例如，密码协议、数值模拟或随机计算所需要的。Trevisan的提取器引起了相当大的理论兴趣，不仅因为与其他构造相比，它的数据简约，而且特别是因为它对量子对手是安全的，使其适用于量子密钥分发。我们讨论了一个模块化的，可扩展的和高性能的实现的建设的基础上，可以灵活地组合，以满足各种场景的要求。除了定量地分析了许多组合在实际环境中的性质外，我们改进了以前的理论证明，并给出了非渐近情况下的明确结果。自包含的描述并不假设熟悉提取器。
2012-12-03 cs.IT cs.MS math.IT
Real-Time Seedless Post-Processing for Quantum Random Number Generators
本文提出一种实时无种子双源量子随机性提取器，针对新定义的前向块源，可从两个无限长独立源中提取恒定比例最小熵，并在常用量子随机数发生器上实现64 Gbps模拟提取速度。
2024-01-29 quant-ph
Deterministic randomness extraction for quantum random number generation with partial trust
Quside Technologies S.L.（Quside科技有限公司）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；ICFO-Institut de Ciències Fotòniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（ICFO-光子科学研究所，巴塞罗那科学技术研究所）
本研究提出了一种在部分信任条件下，利用量子熵源和半设备无关设置的确定性随机提取方法，实现了高效率的随机数生成。
2026-02-26 quant-ph
FPGA-based Toeplitz Strong Extractor for Quantum Random Number Generators
本文在FPGA上实现了用于QRNG后处理的Toeplitz强提取器，达到26.57 Gbps基准提取速度，并通过NIST STS 2.1.2测试验证了处理自研相位噪声QRNG原始数据的输出随机性。
2025-05-03 quant-ph
Stream randomness extraction against quantum side information
Future Research Lab, China Mobile Research Institute（中国移动研究院未来研究实验室）；Department of Physics, Renmin University of China（中国人民大学物理系）；QICI Quantum Information and Computation Initiative, Department of Computer Science, The University of Hong Kong（香港大学计算机科学系量子信息与计算倡议）
本文提出基于几乎双随机哈希的流处理随机提取器，通过预处理生成伪随机掩码，实现实时随机数生成，提升量子加密系统的效率。
2026-06-05 quant-ph
Testing randomness of series generated in Bell's experiment
本文利用类 QKD 光纤 Bell 实验生成二进制序列，依据 Ville 原理并用多种统计指标检验随机性，证实 Toeplitz 提取器可使被拒序列达到与原始合格序列不可区分的随机水平。
2022-08-31 quant-ph
Better short-seed quantum-proof extractors
我们构造了一个针对量子存储的强提取器，该提取器适用于每个最小熵$k$，具有对数种子长度，并输出$Ω(k)$位，前提是量子对手对于任何$β< \half$最多具有$βk$量子位的存储器。这种构造的工作原理是首先压缩源（具有最小的熵损失），然后应用一个提取器，当源接近均匀时，该提取器可以很好地对抗量子对手。我们还得到了一个改进的强量子证明提取器在高最小熵制度的建设。具体来说，我们构建了一个提取器，使用对数种子长度和提取$Ω(n)$位从任何源在$\B^n$，只要源的最小熵条件下的量子对手的状态至少是$(1-β) n$，对于任何$β< \half$。
2011-06-23 quant-ph
From Graphs to Keyed Quantum Hash Functions
我们提出了两种新的量子哈希函数的构造：第一种基于扩展图，第二种基于提取函数，并估计了构造它们所需的随机性。我们还提出了一种基于抽取函数的量子密钥散列函数，该函数可用于量子消息认证码，并在有限攻击者模型下评估了其安全性。
2016-05-31 quant-ph
Quantum-Proof Extractors: Optimal up to Constant Factors
我们给出了一个家庭的量子证明提取器，具有最佳的种子长度依赖$O(\log(n/\varepsilon))$的输入长度$n$和错误$\varepsilon$的第一个建设。我们的提取器支持任何最小熵$k=Ω(\log{n} + \log^{1+α}(1/\varepsilon))$，并提取$m=(1-α)k$位，这些位是$\varepsilon$ -接近均匀的，对于任何期望的常数$α> 0$。以前的构造具有二次差的种子长度，或者被限制为非常大的输入最小熵或非常少的输出比特。我们的结果是基于一个通用的减少表明，任何强大的经典冷凝器是自动量子证明，具有可比的参数。对于萃取器是否存在这种还原是一个长期存在的问题，在这里我们对冷凝器给出了肯定的回答。一旦建立了这种约简，为了获得我们的量子证明提取器，我们只需要考虑高熵源。我们构建量子证明提取器与所需的参数，这样的来源，通过扩展一个经典的方法来提取器的建设，基于使用块源和采样，量子设置。我们的提取器可用于获得改进的协议，以实现与设备无关的随机性扩展和隐私放大。
2016-08-01 cs.CC quant-ph
Ultrafast quantum random number generation based on quantum phase fluctuations
量子随机数发生器（QRNG）利用量子力学的基本不确定性产生真正的随机性。大多数QRNG方法采用单光子探测技术，并且速度有限。在这里，我们提出并实验证明了一个超快QRNG的速率超过6 Gb/s的基础上的量子相位波动的激光工作在阈值附近。此外，我们考虑了一个潜在的对手谁拥有部分知识的原始数据，并讨论了如何可以严格删除这种部分知识与后处理。我们通过对系统建模，用最小熵来量化量子随机性，并采用两个提取器，Trevisan的提取器和Toeplitz哈希，来提取随机性，这是信息理论上可证明的。我们的实验装置的简单性和高速性表明了鲁棒、低成本、高速QRNG的可行性。
2012-07-05 physics.optics quant-ph
A Quantum-Proof Non-Malleable Extractor, With Application to Privacy Amplification against Active Quantum Adversaries
在隐私放大中，两个相互信任的方旨在通过在不安全的通信信道上交换消息来放大初始共享秘密$X$的秘密，以便建立共享私钥$K$。如果通道经过身份验证，则可以使用强随机性提取器在单轮通信中解决任务;选择量子证明提取器可以建立针对量子对手的安全性。在信道未被认证的情况下，Dodis和Wichs（STOC'09）表明，可以使用不可延展的提取器（比强提取器更强的伪随机构造）在两轮通信中解决该问题。我们给出了第一个非延展提取器的构造，该提取器对量子对手是安全的。该提取器基于Li（FOCS'12）的构造，能够从最小熵率大于$1/2$的源中提取。将这种构造与Cohen和Vidick（未发表）所示的Dodis和Wichs简化的量子证明变体相结合，我们获得了第一个针对主动量子对手的隐私放大协议。
2018-02-14 cs.CR quant-ph
QSignAI: Quantum-Randomness-Seeded Identity Signatures at the Intersection of AI for Science and Science for AI
Amazon Web Services（亚马逊网络服务）；Duke Kunshan University（杜克昆山大学）
提出 QSignAI 平台，通过云端量子电路生成量子随机性种子，为社交平台用户提供唯一身份签名，并借助 AI 机器人使量子现象对普通用户可感知。
2026-08-04 cs.AI cs.CR cs.ET
Semi-device independent randomness certification using Mermin's proof of Kochen-Specker contextuality
随机性是密码学、模拟和算法的潜在资源。非本地相关违反贝尔不等式证明生成的位串，其随机性是保证在一个设备无关的方式。通过Kochen-Specker（KS）上下文，我们提供了有趣的半设备无关的随机性认证协议。为此，我们首先将两量子比特系统KS上下文性的Mermin幻方证明转化为一个半设备独立的通信博弈。这提供了两比特随机性的半设备独立认证。利用Mermin对三比特系统KS定理的幻星证明，证明了三比特系统的随机性。我们猜想，我们的建议可以扩展到证明任何任意位的随机性，通过一个合适的KS证明的上下文有效的高维系统。
2020-12-27 quant-ph
Trevisan's extractor in the presence of quantum side information
随机抽取涉及到纯粹经典信息的处理，因此通常在经典概率论的框架下进行研究。然而，这样的经典处理通常对于应用来说限制太多，其中关于经典随机变量所取值的边信息可以由量子系统的状态表示。这在密码学的上下文中特别相关，其中对手可以利用量子设备。在这里，我们表明，著名的构造范式提取器提出的Trevisan是健全的量子边信息的存在。我们利用这种模式的模块化，给出几个具体的提取器的建设，其中，例如，提取所有的条件（光滑）最小熵的源使用的种子长度多对数的输入，或只需要种子是弱随机的。
2012-06-18 cs.CC cs.CR quant-ph
Seedless extractors for device-independent quantum cryptography
本文提出一种设备无关量子密码学中无需种子且可抵抗无界量子对手的随机性提取方法，以贝尔违背替代最小熵作为提取承诺，并给出完整安全性证明。
2025-02-27 quant-ph
No-signaling-proof randomness extraction from public weak sources
从弱随机种子中提取随机性是密码学中的一个重要课题。弱随机性源可以被认为是私有的或公共的，其中公共源（例如NIST随机性信标）在随机比特生成后广播随机比特。从弱公共源中提取与设备无关的随机性以对抗无信令对手的问题仍然是开放的。在本文中，我们展示了设备无关和单侧设备无关的随机性放大协议，这些协议来自使用有限数量的设备的弱公共Santha Vazirani（SV）源，并且对无信号的对手是安全的。具体地，在设备行为如量子力学所规定的假设下，协议允许针对任意初始$ε\in [0,0.5)$放大公共$ε$-SV源。另一方面，当仅假设设备的组件之间没有信令时，协议允许放大有限的一组弱公共SV源。
2021-09-28 quant-ph
The Bounded Storage Model in The Presence of a Quantum Adversary
提取器是用于提取随机性的函数E。给定一个不完美的随机源X和一个均匀的种子Y，输出E（X，Y）接近均匀。我们研究的性质，这样的功能存在的先验量子信息的X，特别侧重于密码学的应用。我们证明了某些提取器是适合的有界存储模型中的对手有一个有限的量子存储器的密钥扩展。对于一位输出的提取器，我们表明，所提取的位基本上是同样安全的情况下，对手有经典的资源。我们证明了某些结构的安全性，在有界存储模型中输出多个位。
2006-12-08 quant-ph
Finite Block Length Analysis on Quantum Coherence Distillation and Incoherent Randomness Extraction
我们给出了第一个系统的研究相干蒸馏的操作任务的二阶渐近有和没有援助。在无辅助设置中，我们引入了一种随机性提取框架的变体，其中在非相干测量和随机性提取器之前允许自由的非相干操作。然后，我们表明，从一个给定的量子态中提取的随机比特的最大数量正好等于可以从同一状态中提取的相干比特的最大数量。这种关系使我们能够得到严格的二阶扩展的两个任务中的独立和同分布的设置。值得注意的是，非相干操作类，可以授权相干蒸馏的一般状态都承认相同的二阶展开，表明它们的操作等价的相干蒸馏在渐近和大块长度制度。然后，我们将上述研究推广到辅助设置，在二分量子系统中自然产生，鲍勃从手头的状态中提取相干性，并得到拥有另一个系统的仁慈的爱丽丝的帮助。更准确地说，我们引入了一个新的辅助非相干随机性提取任务，并建立了这个任务和辅助相干蒸馏之间的确切关系。这加强了在无辅助设置的一次关系，并证实了这个密码学框架确实提供了一个新的角度来研究量子相干性蒸馏。同样，这种关系产生二阶特征的辅助任务。作为副产品，我们显示了上述任务的二阶扩展的强逆属性。
2020-11-11 cs.IT math-ph math.IT
Practical No-Signalling proof Randomness Amplification using Hardy paradoxes and its experimental implementation
设备无关（DI）安全是量子密码的最佳形式，提供基于自然法则的信息理论安全。在其最高形式中，安全性是有保证的，只受到相对论的非超光速信号规则的限制。随机性放大的任务，从弱随机种子开始生成安全的完全均匀的比特，是密码学和基础的兴趣，对于生成密码学安全的随机数以及将深度连接到自由意志的存在是重要的。到目前为止，用于这一基本任务的DI无信号证明协议依赖于称为伪心灵感应游戏的非定域性的深奥证明，复杂的多方设置或高维量子系统，并且仍然无法实现实验实现。在本文中，我们构建了第一个实际相关的无信令证明DI协议的随机性放大的基础上，最简单的贝尔非局域性的证明，并说明他们在量子光学设置使用偏振光子的实验实现。从技术上讲，我们将这个问题与哈代悖论的广阔领域联系起来，如果没有哈代悖论，就不可能在最简单的贝尔非局域性场景中实现任意弱源的放大，该场景由两个二进制输入之间的两个选择组成。此外，我们确定了著名的Kochen-Specker定理的证明和哈代悖论，使我们能够构建哈代悖论与非零概率采取任何值在$(0,1]$之间的深刻联系。我们的方法使我们能够在实验的公平采样假设下，从最初的私人随机源$0.1$远离均匀的实验数据收集的$20$小时中实现高达$25$位的随机性。
2020-09-23 quant-ph
Randomness? What randomness?
这是对量子力学中随机性问题的回顾，特别强调它的模糊性;例如，随机性与决定论、可计算性和可压缩性有不同的对映关系。遵循（维特根斯坦的）哲学讨论随机性一般，我认为，量子力学的确定性解释（如玻姆力学或特胡夫特的元胞自动机解释）是严格地说与玻恩规则不兼容。我还强调离群值的作用，即不是1-随机的测量结果。虽然这些发生的概率很低（甚至为零），但它们的存在意味着，在证明量子力学测量结果的随机性（以及量子密码术的安全性）时使用的无信号原理应该像热力学第二定律一样在统计学上重新解释。在附录中，我讨论了玻恩定则及其在单次和重复实验中的地位，并回顾了柯尔莫哥洛夫、蔡廷、马丁-洛夫、施诺尔等人提出的1-随机性概念。
2019-11-30 math-ph math.MP physics.hist-ph
Quantum Measurement Adversary
本文提出量子测量敌手 qm-adv 与量子通信敌手 qc-adv，统一现有量子多源敌手模型，并证明内积提取器、抗量子 non-malleable-extractor 及弱源隐私放大协议的安全性。
2023-06-06 cs.CR quant-ph
Device-independent Randomness Amplification and Privatization
本文提出并证明了首个设备无关协议，可将任意偏差的公共Santha-Vazirani源放大并私有化为接近均匀的秘密字符串，仅需双组件设备，同时实现非消失提取率和最大噪声容忍度。
2017-09-07 cs.CR quant-ph
Experimental Low-Latency Device-Independent Quantum Randomness
随机性的应用，如私钥生成和公共随机性信标，需要小块的认证随机位的需求。设备无关的量子随机数发生器可以产生这样的随机比特，但是现有的量子证明协议和无漏洞实现具有高延迟，需要许多小时来产生任何随机比特。我们证明了设备无关的量子随机性生成从一个无漏洞的贝尔测试与更有效的量子证明协议，获得多个块的$512$位的平均实验时间小于$5$分钟每块，并与认证的误差由$2^{-64}\approx 5.42\times 10^{-20}$界定。
2019-12-24 quant-ph
Randomness Extraction via Delta-Biased Masking in the Presence of a Quantum Attacker
随机性提取是信息论密码学中的一个基本问题。它允许将攻击者具有有限知识的原始密钥转换为攻击者基本上没有信息的完全安全的随机密钥。到目前为止，只有很少的随机提取技术是已知的工作对攻击者持有的原始密钥上的量子信息。这与经典（非量子）环境形成了鲜明的对比，后者更容易理解，并且有大量不同的技术已知并被证明有效。我们证明了一种新的随机提取技术，这是已知的工作在经典环境中，是安全的，以及对量子攻击者。随机性提取是通过将所谓的delta偏置掩码与原始密钥进行XOR来完成的。我们的结果允许扩展这个提取器的量子设置的经典应用。我们讨论以下两个应用程序。我们展示了如何用短密钥加密长消息，信息理论上是安全的，可以抵御量子攻击者，前提是攻击者对消息有足够的量子不确定性。这将熵安全加密的概念推广到量子攻击者的情况。作为第二个应用，我们展示了如何在不向量子攻击者泄露部分信息的情况下进行纠错。这种技术在原始密钥可能包含错误的设置中是有用的，因为标准纠错技术可以向攻击者提供关于例如用于获得原始密钥的秘密密钥的信息。
2007-12-13 cs.CR quant-ph
Randomness-free Test of Non-classicality: a Proof of Concept
本文提出并实验验证了一种无需种子随机性的半设备无关认证技术，通过纠缠光子对产生关联硬币，证明其量子优势并认证非投影测量，为量子通信提供了经济有效的认证方案。
2023-09-06 physics.optics quant-ph
Quantum random number generation for 1.25 GHz quantum key distribution systems
量子密钥分发（QKD）系统的安全性证明通常假设用户可以访问完全随机的源。最先进的QKD系统在GHz范围内的频率下运行，需要持续GHz的量子随机数生成和获取速率。在本文中，我们演示了这样一个高速随机数发生器。熵源是基于放大的自发发射从掺铒光纤，这是直接收购使用标准的小形状因子可插拔（SFP）模块。该模块连接到QKD系统的现场可编程门阵列（FPGA）。在FPGA中实现了一个实时随机性提取器，并实现了可证明随机位的1.25 Gbps的持续速率。
2015-04-29 quant-ph
Certified Randomness from Quantum Supremacy
我们提出了一个近期量子设备的应用：即生成加密认证的随机位，用于（例如）权益证明加密货币。我们的协议重新利用了现有的“量子霸权”实验，该实验基于随机电路采样，谷歌和中国科学技术大学已于2019年开始成功实施。我们表明，只要这些实验的输出通过现在标准的线性交叉熵基准（LXEB），在合理的硬度假设下，它们必然包含$Ω(n)$最小熵，其中$n$是量子位数。为了实现随机性的净增益，我们使用一个小的随机种子来产生伪随机挑战电路。作为对挑战电路的响应，量子计算机生成输出字符串，在验证之后，这些字符串可以被馈送到随机性提取器中，以产生经过认证的接近均匀的比特-从而从伪随机性“引导”到真正的随机性。我们证明了我们的协议的声音在两个意义上：（i）根据硬度假设称为长列表量子至上验证，我们证明在随机预言机模型，和（ii）无条件地在随机预言机模型对窃听者谁可以共享任意纠缠的设备。(Note我们的协议的输出是不可预测的，甚至对于可以看到随机预言的计算上无限的对手。目前，我们的协议的主要缺点是验证的指数成本，这在实践中将限制其实施到最多$n\sim 60$量子位，一个攻击昂贵但并非不可能的制度。模的缺点，我们的协议似乎是唯一的实际应用的量子计算，既需要一个QC，是物理上可实现的今天。
2023-03-02 cs.CC quant-ph
Information-Theoretic Solutions for Seedless QRNG Bootstrapping and Hybrid PQC-QKD Key Combination
University of York（约克大学）
本文提出利用通用哈希函数作为强种子提取器解决无种子QRNG启动和PQC-QKD密钥组合问题，通过量子剩余哈希引理提供安全基础，确保密钥材料在妥协后仍保持可量化min-熵。
2026-08-13 cs.CR quant-ph
Device-Independent-Quantum-Randomness-Enhanced Zero-Knowledge Proof
针对Fiat-Shamir NIZKP依赖随机预言机模型的安全缺陷，本文利用无漏洞Bell测试认证的量子随机性与PQC认证交付，实现三着色问题的NIZKP。
2021-11-12 quant-ph
Multi-Gbps quantum randomness source based on direct detection and vacuum states
本研究提出一种仅用激光器和光电二极管的真空涨落直接探测QRNG方案，在更少安全假设下实现3.41 Gbit/s实时随机提取率，兼具高速、低成本与高安全性，应用潜力广泛。
2023-10-03 quant-ph
On the Relativistic Zero Knowledge Quantum Proofs of Knowledge
本研究提出相对论性零知识量子知识证明系统，定义概念并构造提取器，利用新倒带技术突破量子倒带障碍，改进可靠性界限。
2024-12-17 cs.CR quant-ph
Parallel real-time quantum random number generator
量子随机数生成利用量子力学过程和测量的固有随机性。量子随机数的实时产生速率通常受到电子带宽和数据处理速率的限制。在这里，我们使用一个多路复用方案，以创建一个快速的实时量子随机数发生器的基础上连续变量的真空波动。在零差检测带宽内的量子真空态的多个边带频率模式被同时提取作为随机性源。基于Toeplitz哈希提取器，在一个现场可编程门阵列（FPGA）中实现了三个子熵源原始数据的并行后处理。实现了8.25 Gbps的实时累积生成速率。该系统依赖于光电元件和电路，可以集成在一个紧凑，经济的封装。
2019-11-08 physics.optics quant-ph
Multiplexed Quantum Random Number Generation
快速安全的随机数生成是高速加密通信的关键，是信息安全的基础。真正随机数的产生取决于所使用的过程的内在随机性，并且通常受到电子带宽和信号处理数据速率的限制。在这里，我们使用多路复用方案来创建一个快速的量子随机数生成器，其结构适合于分布式计算的加密和高比特率数据传输。我们使用七个零差探测器测量的真空波动作为量子随机性源，使用单个集成光学器件进行复用。我们得到一个随机数生成速率为3.08 Gbit/s，从只有27.5 MHz的采样检测器带宽。此外，我们利用系统的多路复用特性来演示一个生成速率为26 Mbit/s的非种子强提取器。
2019-05-06 quant-ph
Quantum Computational Unpredictability Entropy and Quantum Leakage Resilience
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
本文提出量子计算不可预测性熵，用于在量子计算环境下构建抗泄漏密码学工具。
2025-07-27 quant-ph
Minimalist design of a robust real-time quantum random number generator
本文提出一种基于单光子探测器点击时间间隔的极简实时量子随机数发生器，通过查找表实现确定性随机性提取，实现每次点击1比特、1.2 Mbit/s的生成速率。
2015-07-08 quant-ph
Free randomness amplification using bipartite chain correlations
利用无信号盒的凸组合来模拟不等式的量子破坏，对利用贝尔不等式破坏的随机放大协议进行了直接分析.由Santha-Vazirani源产生的比特的概率分布被示出为具有由源定义的参数的伯努利分布的排列的混合物。给出了部分随机性范围的一个直观的证明，在此范围内，利用量子关联违反链式不等式可以提取完全随机性。精确值是在大量测量设置的渐近极限中导出的。
2013-03-22 quant-ph
Experimental implementation of bias-free quantum random number generator based on vacuum fluctuation
实验证明，通过测量量子态的真空涨落，实现了一种具有实时随机性提取的无偏置光量子随机数发生器，可直接输出均匀分布的随机数。该方案利用相位调制器，有效降低了实际器件不完善引起的发生器两臂偏差的影响，是量子随机数发生器领域的一种创新方案。在反馈调制频率比相位抖动快得多的情况下，可以通过补偿信号与其平均值之间的附加减法来获得无偏结果，以消除残余偏差。采用跟随随机性提取器消除实际系统中由于器件不完善而引入的残余边信息的影响。
2019-04-22 quant-ph
Efficient Certifiable Randomness from a Single Quantum Device
Brakerski et. [18]提出了一种单台不可信任量子设备的密码测试模型，并给出了一个可证明随机性生成协议。我们使用泄漏弹性的学习错误的问题，以解决一个关键的问题，在以前的工作-随机性的产生率。我们的新协议可以证明$Ω(n)$新鲜比特的随机性在恒定的回合，其中$n$是一个参数的协议和总的通信是$O(n)$，从而实现了一个接近最优的速率。输出是统计随机的证明在概念上很简单，在技术上也很简单。
2022-04-24 cs.CC quant-ph
Graphical Methods in Device-Independent Quantum Cryptography
我们介绍了一个框架的图形安全性证明的设备无关的量子密码学使用的方法类别的量子力学。我们乐观地认为，这种方法将使量子密码学中一些高度复杂的证明更容易获得，促进新证明的发现，并实现自动证明验证。作为我们框架的一个例子，我们重新证明了以前的结果，从设备无关的量子密码学：任何线性随机性扩展协议可以转换成一个无界的随机性扩展协议。我们给出了这个结果的图形证明，并在Globular proof assistant中实现了其中的一部分。
2019-05-20 quant-ph
Universal security for randomness expansion from the spot-checking protocol
Colbeck（Thesis，2006）提出了利用贝尔不等式违规来生成认证随机数。虽然已经给出了完整的量子安全性证明，但确定最广泛的贝尔不等式和实现这种安全性的最低性能要求仍然是一个主要的开放问题。在本文中，工作范围广泛的抽查协议，我们证明了确切的贝尔不等式违反可以用来实现完全的安全性。我们的结果大大提高了已知的噪声容限安全随机性扩展：对于常用的CHSH游戏，完全安全性只有1.5%的噪声容限，我们将其提高到10.3%。我们还将所得结果推广到贝尔不等式之外，并首次给出了基于Kochen-Specker不等式的随机扩展的安全性证明.该论文的核心技术贡献是一个新的Schatten范数的不确定原理，它是基于球，卡伦和Lieb的一致凸性不等式（Inventiones Apricae，115：463-482，1994）。
2015-09-03 quant-ph
Experimental Realization of Device-Independent Quantum Randomness Expansion
随机性扩展，即从一个短随机数序列生成一个较长的随机数序列，在量子力学中是可行的，但在经典中是不允许的。设备无关的量子随机性扩展提供了最高安全级别的随机性资源。在这里，我们报告了第一个实验实现的设备无关的量子随机性扩展安全对量子边信息建立通过量子概率估计。我们生成$5.47\times10^8$量子证明随机位，同时消耗$4.39\times10^8$位的熵，以大约$13.1$ h的延迟通过$1.08\times10^8$位扩展我们的随机性存储，总可靠性误差为$4.6\times10^{-10}$。与设备无关的量子随机性扩展不仅丰富了我们对随机性的理解，而且为将量子可验证的随机比特引入实际应用奠定了坚实的基础。
2021-02-15 quant-ph
Strong experimental guarantees in ultrafast quantum random number generation
我们描述了量子随机数生成（QRNG）实验声明的证明方法和标准，类似于精密测量的成熟方法。对于适当构造的物理实现，量子对平均最小熵的贡献的下限可以从对QRNG输出的测量中导出。给定这些界限，随机性提取器允许生成几乎完美的“ε-随机”比特流。实验不确定性的分析，然后给出实验得出的这些序列的ε随机性的置信水平。我们证明了该方法的应用程序相扩散QRNG，驱动的自发发射作为一个可信的随机性源。所有其他因素，包括经典的相位噪声、幅度波动、数字化误差和由于有限检测带宽引起的相关性，都要谨慎对待，即，假设最坏的可能行为与观察结果一致。采用数据约束下的数值优化方法对不可信参数的分布进行优化，以降低平均最小熵。在这种偏执的分析下，QRNG仍然有效，在0.99993的置信水平下，用8位数字化产生每个符号至少2.3个量子随机位，用二进制数字化产生每个符号至少0.83个量子随机位。结果表明，超快QRNG具有强有力的实验保证。
2015-01-13 quant-ph
Quantum algorithmic randomness
无限量子比特序列的量子马丁-洛夫随机性（Q-MLR）是由Nies和Scholz提出的。我们定义了量子Solovay随机性的概念，它相当于q-MLR。这一点的证明是通过一个关于用子空间逼近密度矩阵的纯线性代数结果得到的。然后，我们表明，随机状态形成一个凸集。Martin-Löf绝对连续性是q-MLR的一个特例。引入了量子Schnorr随机性。一个量子模拟的大数定律，以持有量子Schnorr随机状态。
2021-01-20 cs.IT cs.LO math.IT
Unconditional Certified Randomness without Structure
University of Washington（华盛顿大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；NTT Research（NTT研究所）；Columbia University（哥伦比亚大学）；UC Berkeley（加州大学伯克利分校）
该研究在量子随机预言模型下，基于Yamakawa与Zhandry的量子性证明，提出一种非交互式、可公开验证的无结构无条件可认证随机性协议，其安全性针对亚指数级自适应量子查询敌手，优于此前仅假设猜想或针对低查询深度敌手的工作。
2026-09-01 cs.CR quant-ph
Privacy Amplification Against Active Quantum Adversaries
隐私放大是两个合作方将共享的弱秘密（窃听者可能有关于该弱秘密的边信息）转换为与窃听者不相关的均匀随机字符串的任务。针对被动对手的隐私放大，假设通信是在一个公共但经过认证的信道上，可以通过基于强提取器的单消息协议在经典和量子侧信息的存在下实现。2009年，Dodis和Wichs设计了一个双消息协议，通过使用他们引入的强提取器（称为不可延展提取器）来实现对活跃对手的隐私放大，其中公共通信信道不再被假设为经过认证。Dodis和Wichs只分析了经典边信息的情况。我们考虑的任务，隐私放大对积极的对手与量子边信息。我们的主要结果表明，Dodis-Wichs协议仍然是安全的，在这种情况下，其主要的构建块，不可延展的提取器，满足量子证明不可延展性的概念，我们介绍。我们表明，由于Chattopadhyay等人最近构建的不可延展提取器的适应是量子证明，从而提供了第一个针对主动量子对手的隐私放大协议。我们的协议在数量上与经典环境中已知的接近最佳的协议相当。
2017-09-03 cs.CC cs.CR quant-ph
Correlations and randomness generation based on energy constraints
在以前的论文中，我们介绍了一个半设备无关的方案，由一个不可信的源发送量子态到一个不可信的测量设备，与唯一的假设，由源发射的状态的平均能量是有界的。考虑到这种能量约束，我们证明了源和测量设备之间的某些相关性只有在测量结果是不确定的情况下才会发生，即，这些相关性证明了随机性的存在。在本文中，我们进一步展示了如何量化的随机性作为一个函数的相关性，并证明了合理的QRNG协议利用这种关系。为此目的，我们介绍（1）一个半定的量子关联集的特征，（2）一个算法，以下界的香农熵的相关性的函数和（3）合理性的证明，使用有限的试验与我们的能量假设兼容。
2019-05-22 quant-ph
Certifying Randomness or its Lack Thereof for General Network Scenarios
Perimeter Institute for Theoretical Physics（Perimeter理论物理研究所）；Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo（滑铁卢大学物理与天文学系）
本研究扩展随机性认证至网络场景，通过调整膨胀技术认证超量子对手下的随机性，并提供认证随机性缺失的计算方法，讨论了相关概念问题。
2026-09-30 quant-ph
Weak randomness completely trounces the security of QKD
在通常的量子协议的安全性证明中，对手（Eve）被期望对任何通信方（Alice和Bob）之间的任何量子通信具有完全控制权。Eve还可以完全访问Alice和Bob之间的经过认证的经典信道。即使在设备和信道不完善的现实环境中，也可以证明对Eve的任何攻击的无条件安全性。在这封信中，我们表明，如果允许Eve对Alice使用的随机源进行非常有限的访问，QKD协议的安全性就会被破坏。这种知识应该总是在现实的实验条件下通过不同的侧通道预期。
2012-06-09 quant-ph
