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
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，武汉 430068
2 国开启科量子技术(北京)有限公司，北京 102629
针对目前量子随机数发生器(QRNG)无法同时满足量子密钥分发通信中对于随机数产生的高速及实时性需求的问题，文章改进了基于脉冲激光作为光源提取相位信息的QRNG方案，利用单模迈克尔逊干涉仪将随机相位信息转换成光强信息，再通过高速光电探测器(PD)转换为电信号，并采用16位250 MHz采样率的数/模转换器(ADC)以及50%的提取率，最终得到了1.1 Gbit/s的实时量子随机数产生速率。文章实现了一种高速、实时和集成化的QRNG设备，同时对比了该方案与连续激光作为光源在原理以及系统设计上的优势。基于脉冲激光光源的QRNG通过了我国信息通信研究院的各项测试，产品在稳定运行过程中所输出的随机数，均能通过国家密码管理局随机性测试文件GB/T 32915- 2016中规定的15项测试标准以及美国国家标准与技术研究院(NIST)检测标准。
量子随机数发生器 脉冲激光 高速采样 随机性测试 QRNG pulse laser high speed sampling randomness test
1 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 计算机科学技术学院，吉林 长春 130022
针对真随机数生成问题，提出基于大气湍流光闪烁图像的真随机数提取方法。利用相机获取波长为532 nm的激光经过大气湍流传输后的光斑图像，根据其闪烁特性，分别采用固定间隔选取和多步长选取的方式选取光斑图像，固定间隔选择50帧，多步长选择30帧、70帧和100帧，得到的光斑图像相关性很弱，相关系数均小于0.3，由于湍流效应的影响，图像中的像素点发生无规则变化，通过对像素点作组合计算以提取随机序列；通过NIST(national institute of science and technology)随机性测试的方法，对提取的随机序列进行测试。实验结果表明：固定间隔选取的随机序列随机效果一般，测试结果存在P值小于0.01的情况，而多步长选取测试的P值均大于0.01，可以通过随机性测试。
大气湍流 真随机数 固定间隔 多步长 随机性测试 atmospheric turbulence true random number fixed interval multiple steps randomness test
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 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室, 河南 洛阳 471003
2 中国人民解放军63898部队, 河南 济源 454650
3 中国人民解放军63880部队, 河南 洛阳 471003
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。
随机数发生器 随机性检测 异或链 线性反馈移位寄存器 true random number generator randomness test XOR chain linear feedback shift register
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
