最快實時量子隨機數發(fā)生器問世

芯片 2021-07-05 09:00

記者7月2日從中國科學技術大學獲悉，該校教授潘建偉、張軍等聯合浙江大學教授儲濤研究組，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實時后處理，實現了速率達18.8 Gbps迄今最快的實時量子隨機數發(fā)生器。相關研究成果日前以“封面論文”的形式發(fā)表于《應用物理快報》。

隨機數是一種重要的基礎資源，在信息安全、密碼學、科學仿真、博彩業(yè)等眾多領域以及日常生產生活中有著廣泛的應用需求。與偽隨機數發(fā)生器和其他物理隨機數發(fā)生器不同，量子隨機數發(fā)生器是基于量子物理原理產生真隨機數的系統(tǒng)，具有不可預測性、不可重復性和無偏性等特征，是量子通信系統(tǒng)中的關鍵核心器件。

長期以來，潘建偉、張軍等在實用化量子隨機數發(fā)生器方向開展了系統(tǒng)性研究并取得了重要成果。2014年，他們首次提出基于外部時鐘參考的單光子到達時間測量方案，實現速率達100 Mbps的量子隨機數發(fā)生器。2015年，實現了基于激光相位波動的高速量子隨機數產生方案。2016年，研制了實時速率達3.2 Gbps 的量子隨機數發(fā)生器。

對于實用化量子隨機數發(fā)生器，實時生成速率和集成度是核心指標。然而，上述量子隨機數產生方案難以實現高度集成。為此，潘建偉、張軍等進一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機數產生方案并完成相關實驗驗證，同時與浙江大學儲濤等合作，針對該方案通過多次迭代制備了相應的硅光芯片，并采用混合集成技術將硅光芯片、砷化銦鎵平衡探測器以及跨阻放大器封裝在尺寸為15.6毫米×18毫米的芯片內。

科研團隊通過進一步優(yōu)化現場可編程邏輯門陣列實時后處理算法和硬件實現，從而在實現高集成度的同時大大提升了量子隨機數發(fā)生器的實時生成速率。經傳輸測試，該量子隨機數發(fā)生器系統(tǒng)的最終實時速率達到創(chuàng)世界紀錄的18.8 Gbps。

這一研究成果為開發(fā)低成本商用量子隨機數發(fā)生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。