中國科學家實現世界最快實時量子隨機數發生器

據中國科學技術大學7月2日消息，近日，中國科大教授潘建偉、張軍等聯合浙江大學儲濤教授研究組，通過研製硅基光子集成芯片和優化實時後處理，**實現了速率達18.8 Gbps迄今最快的實時量子隨機數發生器，**相關研究成果以“封面論文”的形式發表於《應用物理快報》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美國物理聯合會（AIP）以“量子隨機數發生器實現尺寸和性能新基準（Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance）”為題刊發新聞稿對該工作進行了報道，SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒體也進行了相關轉載報道。

期刊封面

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、博彩業等眾多領域以及日常生產生活中都有着廣泛的應用需求。與偽隨機數發生器和其他物理隨機數發生器不同，量子隨機數發生器是基於量子物理原理產生真隨機數的系統，具有不可預測性、不可重複性和無偏性等特徵，是量子通信系統中的關鍵核心器件。長期以來，潘建偉、張軍等在實用化量子隨機數發生器方向開展了系統性研究並取得了重要成果。例如，2014年首次提出基於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的量子隨機數發生器；2015年實現了基於激光相位波動的高速量子隨機數產生方案；2016年研製了實時速率達3.2 Gbps的量子隨機數發生器。

對於實用化量子隨機數發生器，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、張軍等進一步發展了基於真空態漲落的高速量子隨機數產生方案並完成相關實驗驗證，同時與浙江大學儲濤等合作，針對該方案通過多次迭代製備了相應的硅光芯片，並採用混合集成技術將硅光芯片、InGaAs平衡探測器以及跨阻放大器（TIA）封裝在尺寸為15.6mm×18mm的芯片內。與此同時，通過進一步優化FPGA實時後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生器的實時生成速率。經傳輸測試，該量子隨機數發生器系統的最終實時速率達到創世界紀錄的18.8Gbps。上述研究成果為開發低成本商用量子隨機數發生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。

實時量子隨機數系統原理示意圖

該研究工作得到了科技部、中科院、自然科學基金委和安徽省等的資助，同時得到了科大國盾量子和中國電科四十四所的技術協助。