我國科學(xué)家實現(xiàn)世界最快實時量子隨機數(shù)發(fā)生器

  ICC訊 科技日報記者近日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、張軍等聯(lián)合浙江大學(xué)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(xiàn)了速率達(dá)18.8Gbps的迄今世界最快實時量子隨機數(shù)發(fā)生器。相關(guān)研究成果日前以封面論文的形式發(fā)表于《應(yīng)用物理快報》上。

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

  長期以來，潘建偉、張軍等在實用化量子隨機數(shù)發(fā)生器方向開展了系統(tǒng)性研究并取得了重要成果。但對于實用化量子隨機數(shù)發(fā)生器，實時生成速率和集成度是核心指標(biāo)，此前的量子隨機數(shù)產(chǎn)生方案難以實現(xiàn)高度集成。

  為此，潘建偉、張軍等進(jìn)一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機數(shù)產(chǎn)生方案并完成相關(guān)實驗驗證，同時與浙江大學(xué)儲濤等合作，針對該方案通過多次迭代制備了相應(yīng)的硅光芯片，并采用混合集成技術(shù)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(nèi)。他們通過進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)場可編程邏輯門陣列實時后處理算法和硬件實現(xiàn)，在實現(xiàn)高集成度的同時大大提升了量子隨機數(shù)發(fā)生器的實時生成速率。經(jīng)傳輸測試，該量子隨機數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)的最終實時速率達(dá)到創(chuàng)世界紀(jì)錄的18.8Gbps，相當(dāng)于每秒鐘產(chǎn)生188億個隨機數(shù)。

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