在信息爆炸时代，信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中，物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语，提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型，能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型，在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路，通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器，该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明，生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好；真随机数序列均通过了NIST测试，具有高随机性和不可预测性。

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。

全光混沌因其结构简单，混沌信号具有类噪声、不可预测等特点被广泛应用于保密通信领域和真随机数发生器领域。文章提出利用特定色散曲线的相位作用与激光器的内外腔的非线性效应来平坦化混沌信号的频谱，从而实现高带宽的混沌信号,同时能够在一定程度上减弱混沌信号的内在相关性。首先搭建了传统的全光混沌结构，分析其频谱特征，然后在该系统结构的外腔环内通过色散补偿器件引入了所设计的特定色散曲线，最后对比分析了不同色散曲线情况下对全光混沌信号频谱的影响。实验结果证明了该方案能够展宽全光混沌信号的频谱。

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。

提出并验证了一种基于数字化带宽增强激光混沌信号的高速随机源。为消除光反馈半导体混沌激光信号中存在的弱周期性，将光反馈混沌半导体激光注入另一激光器产生的带宽增强混沌激光信号。用8 bit高速模数转换器对输出的增强带宽混沌激光信号进行采集，实现每个采样点产生多个随机位。为去除所提取原始随机位存在的偏差和提高随机位的产生效率，提出采用基于现场可编程逻辑阵列的安全哈希算法-256来提取随机位。采用4路并行处理技术获得了2.94 Gbit/s 的在线随机数产生速率，每个采样点可平均产生4.65 个随机比特位。所获的随机数通过了随机性测试程序ENT和STS中所有测试项。

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.

物理随机数在密码学、通信及****等领域具有重要应用价值。传统的物理随机数发生器受限于熵源（如热噪声等）带宽的限制，码率仅处于Mb/s 量级。近年来，随着宽带光子熵源（如混沌激光、放大自发辐射噪声）的出现，研究学者提出了众多高速随机数产生方案。其中，混沌激光由于其高带宽、大幅度、易集成等特性，获得了人们的极大关注，被广泛应用于Gb/s 量级物理随机数的产生。结合国内外研究现状，对基于混沌激光的物理随机数产生方案进行了综述，分析了各方案的优势及不足，归纳总结了当前混沌物理随机数发生器的研究热点，并指出了其未来可能的发展方向。

为了得到平稳的随机信号, 设计了一种应用于智能卡的物理真随机数发生器。采用振荡采样的方法将噪声源产生的抖动噪声转变为随机数。同时, 在发生器输出级运用由异或链、线性反馈移位寄存器组成的后处理模块, 消除外部干扰导致随机数发生器产生的偏差和自相关性。通过设计在线检测电路, 实时检测随机序列的质量。理论研究和仿真测试证明, 该方案能生成均匀、彼此独立的随机信号。

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。

基于光反馈半导体激光器产生混沌激光作为熵源，设计制作了放大器、比较器及触发器等高频电子器件，实现对混沌激光的模数转换，产生一路随机数，与另一路不相关的随机数异或处理，无需后续数字处理，最快可实现500 Mb/s输出。产生的随机数序列通过了美国国家标准与技术研究院（NIST）的统计测试标准（SP800-22）。该随机数发生器码率可调，易集成，有利于产品化。