DAOrayaki |QRNG:利用 d 波量子退火器生成随机数

DAOrayaki |QRNG:利用 d 波量子退火器生成随机数

DAOrayaki DAO研究奖金池:

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:45 USD

研究种类:Quantum Computing, D-wave Quantum Annealers, Random Numbers Generating

原文作者:   Aniruddha Biswas

创作者:skyh@DAOrayaki.org

审核者:Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org

原文:  QRNG: Generating Random Numbers from D-wave Quantum Annealers

引言

随机数通常是遵循两个基本条件的数字:

  • 这些数在一个区间或集合上均匀分布。
  • 基于过去或现在的价值观是很难预测的。

随机数在计算机科学、应用数学、物理学、化学和生物学等学科中占有非常重要地位。这为随机数的实际应用创造了大量空间。其中一些是:

  • 模拟金融中的科学计算,天气或生物系统和复杂的抽样问题都需要使用随机数。
  • 在身份验证、 OTP 验证和安全密码构造等加密任务中,都需要用到随机数。

为什么使用量子随机数生成器?

我们目前使用的随机数生成器大多是基于一些算法。这并不能保证真正的随机性,因此它们被称为伪随机数生成器。

由于量子系统固有的概率性,真正的随机性可以很容易地在任何量子力学过程或事件中被观察到。这也是驱使研究人员利用量子系统(又称量子随机数生成器)的威力提取真随机数的唯一原因。

提供 QRNG 服务

一个非常常见的基于量子电路的 QRNG 协议是在 | 0 > 或 | 1 > 状态的量子比特上使用 Hadamard 门。左图展示了一个实验性的线性光学硬件实现,右边是一个等效电路表示。

左图: QRNG 服务的线性光学装置右图: 基于电路的QPUs的等效电路

在 | 0 > 态或 | 1 > 态上的 Hadamard 门可以产生 | 0 > 和 | 1 > ,即 | + > 和 |-> 的等价叠加,测量这种状态可以得到一个纯随机位(0或1)。现在有很多基于量子电路的 QRNG 服务,它们基本上遵循了同样的原则。

Hadamard 门对量子位的作用

一些可用的量子随机数生成器如下:

  • ANU QRNG服务: 这个产品可以在 AWS 交易市场得到
    (https://aws.amazon.com/marketplace/pp/prodview-246kyrfjo3bag)
    主页链接:https://qrng.anu.edu.au/.
  • IBM Qiskit QRNG 服务(与 CQC 提取器一起) : https://qiskit.org/documentation/stable/0.24/apidoc/ibmq_random.html
  • http://qrng.physik.hu-berlin.de/download
  • 人们可以使用任何可用的量子计算框架,如 IBM Qiskit, Google Cirq, Microsoft Q#, Rigetti PyQuil  等,来轻松地创建自己的 QRNG 服务。关注:
  • https://shadab-hussain.medium.com/quantum-random-number-generators-qrngs-using-streamlit-7ca8f043b4c3

基于 d 波量子退火器的 QRNG

D 波退火系统的工作原理是非常独特的。它们从哈密顿的 h1开始(它的基态可以很容易地制备)。D 波认为 h1为初始哈密顿量,目标哈密顿量(H2)为伊辛型。问题的哈密尔顿函数被编码成 H2。

要了解更多关于如何 d 波退火工作,请参考这个视频。

https://youtu.be/tnikftltqE0

在基于门的电路模型量子计算机中,我们已经看到阿达玛门在 | 0 > 或 | 1 > 态上的应用产生了一个叠加态,而对这个等价叠加态(| + > 或 |->)的测量产生了一个随机位。现在如果我们回顾一下量子信息理论我们会发现。

Hadamard 门在 | 0 > 或 | 1 > 上的应用和从 Pauli z 到泡利 x 的哈密顿演化是等价的,因为这   两种运算把基从计算基改为对角基。图示可以是,

* |0>/|1> — —— — Hadamard Gate — — — — — |+>/|->

* Pauli Z Basis — —— Hadamard Gate— —  — —Pauli X Basis

来源:

https://lewisla.gitbook.io/learning-quantum/quantum-circuits/single-qubit-gates

在基于门的 QPUs 中,我们从计算基(| 0 > 或 | 1 >)开始,因此我们需要 Hadamard 门将基改为对角基或 Pauli x 基(| + > 或 |->)来产生一个随机位。

由于 d 波退火是从 H1(泡利 x 的叠加)开始的,我们可以将其演化限制到 H2,并通过测量得到随机位。

单 d 波退火量子比特实验

为了比较我们提到的技术与行动的Hadamard门的等效性,我们测试了它在一维波退火与1000测量镜头的量子比特。我们得到的结果非常接近于基于门电路的 Hadamard 概率分布。这主要地证实了我们的协议。

Hadamard equivalency test for 1 D-wave Annealing qubit一维波退火量子比特的 Hadamard 等效性检验

如何得到随机数?

让我们设定随机位数组的长度是10。为了完成这个实验,我们将使用 d 波海洋(一个基于 python 的用于量子计算的 SDK)。

当 d 波本质上处理 h1时,我们只需要考虑 H2,它是伊辛哈密顿函数。因为我们想要阻止从 h1到 h2的演化,所以我们把 h2看作是一个10x10的 QUBO 矩阵,所有项都是0。采用 h2的全零点 QUBO 矩阵将有助于我们的退火系统在较长时间内保持在 H1(Pauli x)哈密顿量下,并且进行测量将保证位的随机性。

在这里,我们使用的是名为 D-wave Ocean、 Dimod、 Numpy 和 Pandas 的开放源码库,其中包含 IBM Qiskit 的可视化功能。

我们希望生成10个不同的随机数(每个都有10位长度) ,为此我们认为 h2是一个10x10的方阵(QUBO) ,所有元素都为零。最终将量子作业发送到 d 波量子处理器。

在接收到 d 波退火装置的输出后,我们还需要进行小的后处理来安排Pandas数据模型中的输出。随机数被从位字符串中提取了出来,并被添加到名为“ Numbers”的 Dataframe 列中。

实验结果及观察

这是完整实验的结果,我们得到了10个随机数,分别是118,664,108,662,,56,233,534,346,562 和775。右边的图片也显示了概率分布,它们看起来是统一的。

在较低的量子比特数(n = 4ー7)下,对于较高的采样数(镜头数 = 1000或更多) ,我们得到了较少的非均匀分布。但对于非常大的位字符串(10 < n < 20) ,对于较小/较大的采样率,我们得到了相当均匀的分布。

结论

虽然上述协议能够从 d 波退火设备中生成随机数,但是其输出的真随机性并没有得到市场上任何随机测试套件的验证。

如果您正在考虑基于此协议启动 TQRNG 服务,请在继续前执行“ NIST 随机性测试”。

感谢阅读这篇文章。更多文章,请在 Medium 和 Linkedin 上关注我。

参考资料:

  1. https://aws.amazon.com/blogs/quantum-computing/generating-quantum-randomness-with-amazon-braket/
  2. https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.89.015004
  3. https://shadab-hussain.medium.com/quantum-random-number-generators-qrngs-using-streamlit-7ca8f043b4c3
  4. https://arxiv.org/abs/2001.10625
  5. https://quantumcomputinguk.org/tutorials/16-qubit-random-number-generator
  6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1319157822000283
  7. https://qiskit.org/documentation/stable/0.24/apidoc/ibmq_random.html

通过 DAO,研究组织和媒体可以打破地域的限制,以社区的方式资助和生产内容。DAOrayaki将会通过DAO的形式,构建一个代表社区意志并由社区控制的功能齐全的去中心化媒体。欢迎通过文末方式提交与DAO、量子计算、星际移民、DA相关的内容,瓜分10000USDC赏金池!欢迎加入DAOrayaki社区,了解去中心化自治组织(DAO),探讨最新话题!

官方网站:https://daorayaki.org

Media:https://media.daorayaki.org

Discord server: https://discord.gg/wNUPmsGsa4

Medium: https://medium.com/@daorayaki

Email: daorayaki@dorafactory.org

Twitter: @daorayaki_

微信助手:DAOrayaki-Media

小宇宙:DAOrayaki

详情请参考:

Dora Factory支持去中心化DAO研究组织DAOrayaki

对DAOrayaki第一阶段的回顾--去中心化媒体的先驱

DAOrayaki |DAOrayaki 开启去中心化治理2.0时代

DAOrayaki |风险投资的范式转移:无限主义基金和无限游戏

DAOrayaki |DAOrayaki dGov 模型:基于Futarchy的正和游戏

更多关于DAO的文章,关注Dorafactory,查看往期文章。

Category:

DAOrayaki

DAOrayaki is a decentralized media and research organization that is autonomous by readers, researchers, and funders.