中国科学家实现迄今最快实时量子随机数发生器

据中国科学技术大学网站7月2日消息，近日，中国科大教授潘建伟、张军等联合浙江大学储涛教授研究组，通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，实现了速率达18.8 Gbps迄今最快的实时量子随机数发生器，相关研究成果以“封面论文”的形式发表于《应用物理快报》[Appl.Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。

美国物理联合会（AIP）以“量子随机数发生器实现尺寸和性能新基准（Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance）”为题，刊发新闻稿对该工作进行了报道，SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒体也进行了相关转载报道。

期刊封面

随机数是一种重要的基础资源，在信息安全、密码学、科学仿真、博彩业等众多领域以及日常生产生活中都有着广泛的应用需求。与伪随机数发生器和其他物理随机数发生器不同，量子随机数发生器是基于量子物理原理产生真随机数的系统，具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征，是量子通信系统中的关键核心器件。长期以来，潘建伟、张军等在实用化量子随机数发生器方向开展了系统性研究并取得了重要成果。例如，2014年首次提出基于外部时钟参考的单光子到达时间测量方案，实现速率达100Mbps的量子随机数发生器；2015年实现了基于激光相位波动的高速量子随机数产生方案；2016年研制了实时速率达3.2Gbps的量子随机数发生器。

对于实用化量子随机数发生器，实时生成速率和集成度是核心指标。然而，上述量子随机数产生方案难以实现高度集成。为此，潘建伟、张军等进一步发展了基于真空态涨落的高速量子随机数产生方案并完成相关实验验证，同时与浙江大学储涛等合作，针对该方案通过多次迭代制备了相应的硅光芯片，并采用混合集成技术将硅光芯片、InGaAs平衡探测器以及跨阻放大器（TIA）封装在尺寸为15.6mm×18mm的芯片内。与此同时，通过进一步优化FPGA实时后处理算法和硬件实现，从而在实现高集成度的同时大大提升了量子随机数发生器的实时生成速率。经传输测试，该量子随机数发生器系统的最终实时速率达到创世界纪录的18.8Gbps。上述研究成果为开发低成本商用量子随机数发生器单芯片奠定了坚实的技术基础。

实时量子随机数系统原理示意图

该研究工作得到了科技部、中科院、自然科学基金委和安徽省等的资助，同时得到了科大国盾量子和中国电科四十四所的技术协助。