中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室，安徽 合肥 230026
在实用化的高速量子随机数产生器的应用中，使用Toeplitz矩阵作为后处理方法提取量子随机数随机性已成为一种主要的技术路线。然而，Toeplitz矩阵更适合于硬件计算而不适合软件运算，通常需要搭建专门的现场可编程门阵列（FPGA）电路才能进行快速运算。基于自发辐射放大（ASE）的量子随机产生器，提出一种基于简单哈希函数的快速后处理方式。这种方式的时间复杂度仅为O（N），小于Toeplitz矩阵的O（NlogN），并且相对另一种常用的后处理方法，最低有效位（LSBs）后处理，具有更高的随机数提取效率。实验中由所提后处理方法计算得到的随机数已通过美国国家标准与技术研究所（NIST）随机性检测。
量子随机数 自发辐射放大 哈希函数 后处理方法 随机性检测 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0527001
Author Affiliations
Abstract
1 Chinese Academy of Sciences (CAS), Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, National Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai, China
2 CAS Center for Excellence in Superconducting Electronics, Shanghai, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, Beijing, China
Efficient and precise photon-number-resolving detectors are essential for optical quantum information science. Despite this, very few detectors have been able to distinguish photon numbers with both high fidelity and a large dynamic range, all while maintaining high speed and high timing precision. Superconducting nanostrip-based detectors excel at counting single photons efficiently and rapidly, but face challenges in balancing dynamic range and fidelity. Here, we have pioneered the demonstration of 10 true photon-number resolution using a superconducting microstrip detector, with readout fidelity reaching an impressive 98% and 90% for 4-photon and 6-photon events, respectively. Furthermore, our proposed dual-channel timing setup drastically reduces the amount of data acquisition by 3 orders of magnitude, allowing for real-time photon-number readout. We then demonstrate the utility of our scheme by implementing a quantum random-number generator based on sampling the parity of a coherent state, which guarantees inherent unbiasedness, robustness against experimental imperfections and environmental noise, as well as invulnerability to eavesdropping. Our solution boasts high fidelity, a large dynamic range, and real-time characterization for photon-number resolution and simplicity with respect to device structure, fabrication, and readout, which may provide a promising avenue towards optical quantum information science.
superconducting microstrips single-photon detector photon-number resolution quantum random number Advanced Photonics
2024, 6(1): 016004
1 湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
2 国开启科量子技术(北京)有限公司, 北京 102629
随着量子密钥分发 (QKD) 系统的深入研究与应用, 随机数的质量和产生速率面临着更大的挑战。为了满足随机数在QKD系统以及对于密钥安全性要求较高的场景下的使用, 提出一种基于真空涨落产生真随机数的实验方案。相比于传统方案使用的2 × 2偏振分束器 (BS), 该方案采用单模1 × 2的BS来实现光路的传输, 不仅节省了装置成本, 同时还得到了较高的随机数产生速率。在9.68 dBm光强的作用下, 得到量子噪声与经典噪声的信噪比为 11.92 dB。对通过12 bit的模数转换器采集到的数据进行分析, 结果显示经典噪声和真空散粒噪声均符合高斯分布, 通过计算得到最小熵为9.92, 原始数据经过安全性可被信息论证明的托普利茨 (Toeplitz) 后处理, 最终实现7.6 Gbit/s的量子随机数产生, 并且通过了Nist随机数标准测试, 验证了方案的可行性。
量子通信 真空涨落 量子随机数 最小熵 后处理 quantum communication vacuum fluctuation quantum random number minimum entropy post processing
南京邮电大学量子信息技术研究所 江苏 南京 210003
量子随机数因为其不可预测性和真随机性, 在信息安全方面发挥着越来越重要的作用。现有的随机数生成协议大都假定光源服从一定确知的分布概率, 然后通过测量值估算可提取随机数的最小熵。但是由于实际光源器件的不完美, 其光强分布存在一定波动, 倘若在计算最小熵过程中忽略该强度波动, 将导致计算最小熵数值偏大, 影响安全性; 倘若使用传统的方法考虑光强波动, 则导致估算结果过差, 降低可获取随机性的大小。针对该问题, 本文提出了一种具有光源监控功能的量子随机数发生器方案, 并且以基于维度目击值的自检测量子随机数发生器协议为例进行介绍。仿真结果显示通过在源端添加光源监控模块的方法, 能够对单光子贡献的上下界给出更紧致的估计, 与传统方法相比, 能够获得更高的最小熵和随机性。该方案为量子随机数发生器的实用化提供了一个有用的工具。
量子随机数 光源监控 诱骗态 quantum random number light source monitoring decoy state 量子光学学报
2023, 29(1): 010302
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 密码科学技术国家重点实验室，北京 100878
为了实现量子随机数实时安全高速后处理，在实验上利用平衡零拍探测将采集得到的量子真空噪声中的4个相互独立的高频边带模式作为熵源，在单通道240 MSa/s采样率、16位模数转化条件下进行四路并行提取，并在现场可编程门阵列（FPGA）中完成多路实时Toeplitz-Hash安全高速后处理。实现了大规模Toeplitz矩阵分解及多周期分布处理，从而保证了硬件的稳定运行；研究了不同矩阵规模和通道数下安全后处理的硬件资源占有率，最终在四路Toeplitz-Hash后处理条件下，实现了FPGA逻辑资源占有率为62%、实时速率为10.44 Gbit/s的量子随机数生成。每两路通道之间量子随机数的互相关和互信息分别在10-3和10-6以下，且合并输出的量子随机数通过了NIST、Diehard和TestU01测试，为其在高速保密通信的实际应用中提供重要支撑。
量子光学 量子随机数发生器 多路实时后处理 现场可编程门阵列 平衡零拍探测 光学学报
2022, 42(23): 2327003
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院, 太原 030024
3 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006
针对目前串行量子随机数发生器方案中, 量子模式提取的信号带宽与数据处理速率之间的权衡在实时产生速率方面造成了瓶颈, 文章利用现场可编程门阵列(FPGA)对多个量子边带模式的并行托普利茨(Toeplitz)哈希实时后处理, 研究分析了不同规模Toeplitz矩阵的逻辑资源占用, 设计了两层并行流水线算法并进行了仿真验证, 充分利用FPGA的并行处理优势和硬件资源, 最终实现了实时速率8.24 Gbit/s的量子随机数安全后处理。仿真结果表明, 量子随机数发生器的熵源具有较好的随机性, 经后处理后的随机数自相关系数保持在10-4量级且能通过Diehard测试。通过与集成电路匹配并行提取多个量子边带模式, 实现了一种可商业化的高鲁棒性、高速实时量子随机数发生器。
量子随机数 现场可编程门阵列 并行实时后处理 量子密码 quantum random number FPGA parallel and real-time post-processing quantum cryptography
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 太原 030024
3 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006
针对当前量子随机数产生技术无法满足通信领域中安全性和高速率的问题, 文章提出了一种基于测量光场真空起伏产生量子真随机数的实验方案。与以往报道的实验方案所不同, 文章理论分析,量子随机数生成系统中量子正交分量测量中本底光增益对原始随机数中相对量子熵含量的影响, 在经典噪声完全被窃听方控制的最差情况假定下, 采用量子条件最小熵量化评估原始随机数的随机性。基于理论分析实验中通过相对增强本底光强的同时控制电子学增益, 经典电子噪声独立地放大真空噪声分量起伏, 提高了系统中量子噪声引入的最小熵含量, 同时, 基于真空量子噪声是宽带高斯白噪声, 有效提升频带提取带宽, 提高量子熵源的利用率,在提高量子随机数生成系统安全性的同时提高了量子随机数的产生速率。实验结果表明, 基于安全性信息论可证明的托普利茨-哈希(Toeplitz-hash)提取器, 实现了6.7 Gbit/s 的量子随机数产生, 同时利用 Nist、Diehard 和 TestU01-SmallCrush 3种随机数标准测试验证了该方案下生成的量子随机数的真随机性, 为真空量子随机数发生器产生速率的提高提供了新的途径。
量子随机数 光场真空噪声 量子条件最小熵 Toeplitz-hash提取器 quantum random number vacuum noise of optical field quantum conditional min-entropy Toeplitz-hash extractor
西南通信研究所保密通信重点实验室, 四川 成都 610041
利用超辐射发光二极管的放大自发辐射噪声作为量子随机熵源, 设计并实现了一种高速小型化光量子随机数发生器(QRNG)。为减小经典噪声及不完美器件对随机性带来的影响, 基于对量子熵源的最小熵估计, 在现场可编程门阵列中, 对每次采集序列的相邻比特位进行异或操作, 并截取低12位作为最终随机序列。该QRNG的随机数的实时产生速率达1.4 Gb/s, 可实时传输至上位机用户端, 且能长时间稳定工作, 具备实用化潜力。
量子光学 量子随机数发生器 小型化 超辐射发光二极管 放大自发辐射
1 南昌大学 信息工程学院, 南昌 330031
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
提出一种基于等时间间隔内光子数奇偶随机性光量子随机源.将连续波激光二极管发射的光衰减成离散的单光子序列,利用雪崩光电二极管单光子探测模块来探测光子,通过测量等时间内探测到光子数的奇偶性来提取随机位.研制出了基于现场可编程门阵列的随机位提取电路,测试和分析了时间间隔大小和单光子计数模块的性能参量对所设计随机源提取随机数性能的影响.根据系统平均计数率自动设置时间间隔大小,实现了偏差小、速度快的随机位产生器.所设计随机源工作在计数率为20 Mcps,时间间隔设置为0.5 μs时,可获得2 Mbit/s的随机位产生速率.运用随机性检测包ENT和STS对所获得的随机位序列进行测试,表明序列的随机性满足真随机数标准,不需要后续处理.
光量子随机源 单光子探测 随机数检测 信息熵 Optical quantum random number generator Single-photon detection Randomness test Information entropy
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
提出了一种基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源。利用衰减成单光子态的光强恒定光源和一个单光子探测器产生单光子随机脉冲，通过连续比较单光子随机脉冲序列中相邻两个脉冲的时间间隔来提取随机位。通过设计高速响应的微通道板单光子探测器和基于现场可编程门阵列(FPGA)的随机位提取电路, 获得了超过10 M bit/s的随机位产生速率。通过采用恒比定时和对计数时钟倍频的方法提高时间间隔的测量精度，从而减小随机位序列的相关系数。当光量子随机源的随机位产生速率在10 k bit/s以下时，所获得的二进制随机位序列的相关系数小于0.001。运用随机性测试程序ENT和DIEHARD对所获的随机位序列进行测试，测试结果表明序列的随机性非常好且不需要后续处理，完全满足真随机数的标准。
量子光学 光量子随机源 单光子探测 微通道板 随机数检测
