我科學(xué)家實(shí)現(xiàn)迄今最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

科技日?qǐng)?bào)記者? 吳長(zhǎng)鋒

記者從中國科學(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(chǔ)濤研究組，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理，實(shí)現(xiàn)了速率達(dá)18.8 Gbps迄今最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)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(bào)》上。

隨機(jī)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(jī)數(shù)發(fā)生器和其他物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不同，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是基于量子物理原理產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的系統(tǒng)，具有不可預(yù)測(cè)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(zhǎng)期以來，潘建偉、張軍等在實(shí)用化量子隨機(jī)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。2014年，他們首次提出基于外部時(shí)鐘參考的單光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)速率達(dá)100 Mbps的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。2015年，實(shí)現(xiàn)了基于激光相位波動(dòng)的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案。2016年，研制了實(shí)時(shí)速率達(dá)3.2 Gbps 的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。對(duì)于實(shí)用化量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，實(shí)時(shí)生成速率和集成度是核心指標(biāo)。然而，上述量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案難以實(shí)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(jī)數(shù)產(chǎn)生方案并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)與浙江大學(xué)儲(chǔ)濤等合作，針對(duì)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(cè)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(chǎng)可編程邏輯門陣列實(shí)時(shí)后處理算法和硬件實(shí)現(xiàn)，從而在實(shí)現(xiàn)高集成度的同時(shí)大大提升了量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實(shí)時(shí)生成速率。經(jīng)傳輸測(cè)試，該量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)的最終實(shí)時(shí)速率達(dá)到創(chuàng)世界紀(jì)錄的18.8 Gbps。

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

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