一种基于CMOS的小型化量子随机数产生装置

为满足量子随机数发生器(QRNG)的小型化、集成化应用,设计了一种基于发光二极管(LED)光源并结合互补金属氧化物半导体(CMOS)探测的量子随机数发生器。量子随机数是以光量子固有特性确保随机数的高安全性,同时其低成本、高速率的处理方式也具有较高的应用价值。但是传统的基于高速模拟数字转换器(ADC)采样的信号处理方法存在成本高、系统复杂、后处理要求高等问题,并且ADC采样的不完美性还会引入伪随机的特性,降低系统的随机数特性,从而限制了其进一步的商业应用与推广。本文提出的量子随机数发生器基于电压比较二值法,利用像素间探测电压的随机性,以CMOS像素点探测输出的电压序列前后脉冲间的电压差值作为随机数熵源,从而获得量子随机数序列。该方法具备简单、可靠、易实现的优点,更利于产品的产业推广。

基于量子隧道效应的量子随机数发生器研究进展

从2000年开始,量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)逐渐受到广泛关注。与算法或经典物理系统随机数发生器相比,QRNG的量子随机源不由确定性的算法或方程描述,仅由波函数进行概率描述,具有内禀随机性。目前,QRNG方案大多基于光子体系。近年来,基于电子体系的量子随机数发生器(electronic Quantum Random Number Generator,eQRNG)方案相继被提出。与光子QRNG相比,eQRNG没有电-光-电转换,有效避免了转换过程中经典噪声的影响,在随机性上具有更大优势,且结构简单、系统稳定,与半导体工艺兼容,具有可集成性。基于此,通过介绍基于量子隧道效应的eQRNG研究进展,包括基于隧道二极管的eQRNG、基于范德瓦尔斯异质结的eQRNG与基于雪崩光电二极管的eQRNG等,阐述了eQRNG在随机性与量子性上的独特优势。

一种用于高速QKD的新型量子随机数发生器设计与实现

基于激光器自发辐射时相位随机涨落原理,实现了一种高速、实时、稳定的量子随机数发生器。使用法拉第——迈克尔逊型干涉仪对连续型激光进行干涉,通过低速采样,降低了采样信号之间的相关性。使用最小熵对量子熵源进行评估,减小经典噪声的影响。使用高速现场可编程门阵列对采集的原始数据进行后处理,实现数据的实时处理与输出。最终随机数的输出速率超过1600Mbps,随机性可通过GB/T 32915-2016《信息安全技术 二元序列随机性检测方法》的检测。

基于相位涨落的量子随机数发生器理论模型

密码算法的安全性基于密钥的安全性,密钥本质上是随机数.伪随机数基于算法的复杂度,理论上无法保证其真随机性,量子力学的不确定性为真随机数发生器提供了一个完美的熵源.基于YANG等提出的利用量子相位涨落获取实时量子随机数方案,设计了一个加入两个延时线圈的量子随机数光干涉理论模型,并对该理论模型进行随机性分析,所得理论模型具有随机正态分布特征.

量子随机数发生器

利用量子物理中的基本原理可以产生真随机数,它们在许多应用尤其是密码学中起到重要作用.对一个量子系统进行测量得到的真随机性揭示了量子特性——相干性,这是一个区分量子力学和经典力学的重要特性.根据对设备的信赖程度,量子随机数发生器可以被分为三大类:第1类是实用化的量子随机数发生器,这类发生器需要充分信任设备并建立适当的物理模型对设备进行描述,通常可以有很高的随机数产生率;第2类是自检测量子随机数发生器,可以在不信任设备的条件下产生随机数;第3类是半自检测量子随机数发生器,它是介于前2类之间的一类方案,通过部分地信任设备来获得相对较高的随机数产生率.

实用化量子随机数发生器研究进展

量子随机数发生器是一种从量子系统中提取量子力学固有不确定性并输出真随机数的一种仪器或者装置.最常见的一类量子随机数发生器根据光子经过一个分束器后的路径选择来产生随机数,其速率很低,无法满足大多数应用的需求.为了提高速率,提出并实现了一个实用且高速的基于光子相对于外部固定参考的到达时间的量子随机数发生器方案,其原始随机数据符合均匀分布,原始比特率达到了109Mbps.然而,对于某些应用场景,比如高速量子密钥分发系统,这个速率依然不够高.为了满足对超高速率的需求,实验实现了速率高达68Gbps的基于激光相位波动测量的量子随机数发生器方案.激光相位波动被干涉仪转化成亮度信息被高速光电探测器探测,然后量化为产生速率为80Gbps的原始随机数.为了满足干涉仪稳定性的需求,使用主动反馈技术代替了传统的温度控制来实现相位稳定控制.通过对系统建模分析,估算出原始数据中的量子随机性,经过Toeplitz矩阵提取之后得到最终的量子随机数,产生速率可以达到68Gbps.然而,对于一个实用的量子随机数发生器,速率的瓶颈在于非常低的随机性提取速率.为了关闭这个间隙,提出并在高速FPGA中实现了基于Toeplitz矩阵的流水线式的随机性提取算法.同时QRNG的所有组成部分被集成到一个紧凑的模块中.这个包括实时后处理与实时传输的QRNG模块,其最终的比特率达到了3.2Gbps.这一系列的研究进展表明高速量子随机数发生器已经走向了实用化进程.

基于量子元胞自动机的真随机数发生器设计

量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)是一种典型的纳米器件,有望成为VLSI设计中CMOS晶体管的替代者。文章基于QCA的内禀属性,以QCA交叉耦合结构为理论依据,设计一种真随机数发生器(true random number generator,TRNG),从基础单元的设计和仿真到最终实现位拓展的功能,全程都基于QCA-Designer软件平台加以实现。与之前类似的研究成果相比,该文所设计的电路结构大大降低了延迟、功耗和元胞面积,具有一定的优势。最终收集的仿真结果要经过行业标准测试,由美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)提供评估标准,证明了产生的随机序列具有优良的随机性。

脉冲激光相位涨落的量子随机数发生器

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。

基于量子随机数发生器的量子密钥分发系统

量子随机数发生器能够产生不可预测的真随机数,可以解决随机数安全问题。在F-M系统的基础上,结合基于光子到达时间的量子随机数发生器实现方案,设计一种基于量子随机数发生器的量子密钥分发系统。该系统相比于F-M系统具有更高的随机数安全性,能够进一步提高智能电网中测控信息的安全性。

基于标记配对相干态光源的实用化诱骗态量子随机数发生器

基于维度目击的量子随机数发生协议中需要使用完美的单光子源,现实中难以低成本、较方便地实现.本文给出了一种基于标记配对相干态光源的实用化诱骗态量子随机数生成协议,利用三强度诱骗态的方法可以准确估计出随机数生成协议的最小熵,随机数提取率比基于弱相干态光源的诱骗态量子随机数生成协议更高.分析探测器的探测效率、后脉冲和探测效率不匹配对该协议安全性造成的影响,探测器的探测效率与最小熵呈正相关;后脉冲增加会降低输出的最小熵,影响随机数的安全性;在非对称基矢探测器效率的情况下,若其中一个测量基的探测效率较高,则该协议可以在另一个测量基的探测效率任意接近于0的情况下输出量子随机数.

我科学家实现世界最快实时量子随机数发生器

中国科学技术大学潘建伟、张军等联合浙江大学教授储涛研究组,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的迄今世界最快实时量子随机数发生器。相关研究成果日前以封面论文的形式发表于《应用物理快报》上。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。

量子真随机数发生器研究的进展

近期，北京大学信息科学技术学院郭弘课题组已在真随机数发生器研究领域取得了一系列研究成果。例如，通过对离散型和连续型量子随机源的持续研究，在随机源的建模分析、信号采集手段、数据后处理方法和随机性统计检测等方面均形成了理论和技术的积累。

最快实时量子随机数发生器问世

中国科学技术大学教授潘建伟、张军等联合浙江大学教授储涛研究组,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18.8Gbps迄今最快的实时量子随机数发生器。相关研究成果日前以“封面论文”的形式发表于《应用物理快报》。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。

量子随机数发生器技术现状及其应用

量子随机数发生器基于量子力学内在的随机性,是迄今为止在理论上被严格证明能够产生完全不可预知的随机序列的发生器。在量子随机数的生成速度提升、小型化、芯片化等方面,国内外的研究机构都取得了一系列的进展。量子随机数发生器的应用领域也愈发广泛。本文对量子随机数发生器的通过结构、技术发展现状和应用领域进行探讨,希望可以为相关研究和应用领域的研究提供有价值的参考依据。

中国电科：发布速率最高量子随机数发生器

中国电子科技集团12月4日发布了一款新型高速量子随机数发生器,量子随机数实时产生速率大于5.4G比特每秒,刷新了此前记录,成为目前世界上产生速率最高的量子随机数发生器.通信安全是国家信息安全和经济社会活动的基石,行业普遍认为量子保密通信技术能够完美地解决信息传输过程中的安全问题,成为新一代信息网络安全解决方案的核心.

世界最快量子随机数发生器问世

日前，中国科学技术大学潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作，实验实现了68Gbps的高速量子随机数发生器，相关论文发表于《科学仪器评论》。美国《麻省理工科技评论》杂志以《世界最快的量子随机数发生器在中国诞生》为题对该项成果进行了报道。该成果为未来超高速量子密码系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案。

小型化高速实时量子随机数发生器的设计与实现

量子随机数基于量子力学的内禀特性,通过量子物理过程产生理论上完全不可预测的真随机数,在信息安全、计算机、量子通信等诸多领域有着重要的应用。为满足量子随机数发生器实用化应用需求,本文提出了一种基于多光子态散粒噪声测量的量子随机数发生器设计与实现方案,实现了小型化、高速率、实时量子随机数发生器,量子随机数实时输出速率可达103.2 Mbps,满足《GM/T 0005-2012随机性检测规范》的随机性测试标准,具备连续稳定工作能力。

高速小型化光量子随机数发生器

利用超辐射发光二极管的放大自发辐射噪声作为量子随机熵源,设计并实现了一种高速小型化光量子随机数发生器(QRNG)。为减小经典噪声及不完美器件对随机性带来的影响,基于对量子熵源的最小熵估计,在现场可编程门阵列中,对每次采集序列的相邻比特位进行异或操作,并截取低12位作为最终随机序列。该QRNG的随机数的实时产生速率达1.4Gb/s,可实时传输至上位机用户端,且能长时间稳定工作,具备实用化潜力。

面向连续变量量子随机数产生的宽带高平坦度平衡零拍探测器

面向连续变量量子随机数产生的应用场景,基于级联放大的方式构建宽带高增益平衡零拍探测器,首次将分布参数电路分析法、优化仿真法引入到平衡零拍探测器的电路设计中,针对性地改善该特高频电路的传输特性,并以系统稳定性指标为指导,寻求电路设计及关键元器件参数的最优解,完成电路设计。最终制作出带宽高于1.65 GHz、在0.2~930 MHz范围内增益平坦度达到±2 dB的平衡零拍探测器。该研究为宽带平衡零拍探测器提供了一种新的设计思路,实验所得探测器的性能有利于更高效地提取连续变量量子态随机熵源,将有效促进连续变量量子随机数发生器的速率提高和实用化发展。

世界上最快的量子随机数发生器

中国科学技术大学潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作，实验实现了68GbPs的高速量子随机数发生器，为未来超高速量子密码系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案，相关论文发表于《科学仪器评论》。随机数发生器是用来产生随机数序列的一种器件，真随机数通常基于物理系统并具备不可预测性、不可重复性和无偏性等特征。