陳根:新型量子隨機數發生器,速度可達18.8Gbps

文/陳根

隨機數發生器是用來產生隨機數序列的一種器件,

真隨機數通常基於物理系統並具備不可預測性、不可重複性和無偏性等特徵

普通的計算機基於軟體演算法,其實現的隨機數生成器看上去產生的是隨機數,但其實是確定性的數字序列,這就帶來了許多資訊保安隱患。

由於隨機性是量子過程的基本屬性,因此科學家們把研究方向轉向了量子力學,並研發出量子隨機數發生器(QRNG)。

量子隨機數發生器是基於量子物理原理或量子效應而產生真隨機數的系統,

在實用化量子密碼系統等領域中具有重要的應用。位元率是量子隨機數發生器最重要的指標。早期的量子隨機數發生器利用單光子路徑選擇方案,位元率僅為4 Mbps。為了獲得高位元率的量子隨機數,近年來科學家們不斷尋求突破。

陳根:新型量子隨機數發生器,速度可達18.8Gbps

2012年加拿大多倫多大學Lo小組實現了6Gbps的量子隨機數發生器系統;2021年由俄羅斯量子中心、牛津大學等科學家開發的量子隨機數發生器能夠以8。05Gbps的速度產生隨機數;

而最近,我國科學家打造的量子隨機數發生器速度達18.8Gbps,成為迄今為止最快的量子隨機數發生器。

一直以來,只有體型較大、速度相對較慢的QRNG才能達到與量子物理基本定律相當的隨機性水平,且大多數QRNG都使用了單獨的光子與電子元件,因此想要將所有元件整合到一個晶片中,是一項艱鉅的挑戰。

而最新研發出的QRNG完成了這項挑戰,其體積十分小巧,晶片尺寸僅為15。6×18 mm。此外,該裝置還結合了先進的光子整合晶片以及最佳化的實時後處理技術,並將之用於從真空態的量子熵源中提取隨機性。

因為量子隨機數的隨機性源於量子物理學的內在不確定性,所以在這項新研究中,

團隊在晶片上使用了銦鍺砷化光電二極體、整合在矽光子晶片上的跨阻抗放大器、以及多個耦合器和衰減器

。結合了這些元件,使得QRNG 能夠檢測來自量子熵源的訊號,並具有顯著改善的頻率響應。

值得一提的是,這些組合的器件一旦檢測到隨機訊號,就會被現場可程式設計邏輯閘陣列(FPGA)處理,並從原始資料中提取真正的隨機數,最終讓 QRNG 裝置達成接近 19 Gbps 的量子隨機數生成速率,然後透過光纜,將之傳送到任意計算機上。

展望未來,研究團隊希望打造出速度更快、體積更小的裝置,為開發更加實用的 QRNG 提供可能。

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