国内首个量子随机数行业标准发布！什么是量子随机数？

光子盒研究院出品

近日，国家工信部官方网站正式发布实施国内首个量子随机数相关行业标准《基于BB84协议的量子密钥分发(QKD)用关键器件和模块 第3部分：量子随机数发生器(QRNG)》，适用于量子随机数发生器。该标准由国盾量子、中国信息通信研究院、中国电科、国科量子、华为、中兴、北京邮电大学、山东量科、九州量子、济南量子技术研究院等参与编制。

今年5月，国内首批量子通信相关标准《量子密钥分发(QKD)系统技术要求》及《量子密钥分发(QKD)系统测试方法》经国家工信部批准实施。

据了解，《基于BB84协议的量子密钥分发(QKD)用关键器件和模块》是系列标准， 共有3个部分，光源、单光子探测器和量子随机数发生器(QRNG)，本次先出台的是随机数部分。

随机数(Random Number)是影响通信安全和通信系统可靠性至关重要的因素。通信中的众多安全协议、身份认证方案，核心都在于密钥的安全性，而各种密钥和加密算法都要求性能优良的随机序列，随机序列的随机性和序列长度决定了通信的安全程度。

随机数是指具有真随机性的0、1值数据序列，随机性的含义如下：

各个元素之间互相独立，具有独立同分布特性。也就是说，即使知道一个序列的产生机制甚至知道它的部分元素，也完全无法推算出序列的其余元素。

均匀分布。序列中的元素服从等概率分布，各个元素出现的概率相同，对于0、1值序列来说，意味着它统计平均值是0.5。

不可重复。即使在完全相同的条件下也不能再次产生完全相同的序列。

随机数是由随机数发生器产生的，随机数发生器大致可以分为三类：伪随机数发生器、基于经典物理的物理随机数发生器和基于量子物理的量子随机数发生器。

伪随机数是根据特定的复杂算法产生的，从本质上讲仍然具有周期性；基于经典物理过程的随机数发生器，由于经典物理是决定性理论，在获知所有条件的情况下，产生的数据序列是可以预测的；量子随机数发生器(QRNG)则是基于量子力学的概率性本质，具有天然的不可预测性和无周期性，因而被广泛认为可以产生真随机数，非常适合量子密钥分发等对安全性要求较高的领域。

量子密钥分发的无条件安全性是由防窃听信道和一次一密系统两方面保证的，一次一密系统要求永不重复使用密码本，即要求真随机码序列。

在现实QKD系统中，量子密钥在本质上是从随机码序列中提取出来的，收发双方需要使用这个随机码来制备和随机检测单光子的量子态，为了使探测结果不相关，这个随机码必须是真随机的，并且不能重复。也就是说，在量子密钥分发中只有使用真随机数才能保证密钥的无条件安全性。

量子随机数发生器的应用。来源：思量量子

随着量子信息技术的飞速发展，量子随机数发生器也取得巨大进步，量子随机数的产生速率不断提高，量子随机变量从离散变量发展到连续变量，探测技术也从单光子探测发展到普通的光电二极管探测，量子噪声的带宽也逐渐变宽，目前最新的量子随机数发生器方案提供的量子随机数产生速率已经超过100Gbps。

按照发展历程，量子随机数发生器可分为：基于单光子探测技术的量子随机数发生器、基于真空涨落的量子随机数发生器、基于激光器相位噪声的量子随机数发生器。

其中，基于单光子源产生量子随机数是最早的量子随机数发生器方案。一个最简单的QRNG 方案如下所示，单光子经过一个50:50的分束器后，在两条不同的路径上进行单光子水平的探测，就可以得到量子随机数。

量子随机数发生器方案。来源：光子盒

但是理想的单光子很难被制备，鉴于单光子探测方案受限于单光子的产生与探测，人们开始考虑其它有潜力进一步提高产生速率的随机数产生方法，包括将真空涨落、激光器相位噪声应用于量子随机数发生器。

此外，还可按照对设备的信任程度和窃听者拥有的能力将量子随机数发生器分成三类：

第一类是设备受信任量子随机数发生器，这类发生器通常不考虑恶意攻击者的存在，即设备完全受到信任并可以被准确刻画，产生的随机数可能会有安全问题；第二类是设备无关量子随机数发生器，即使设备完全不受信任，也能产生安全的随机数；第三类是半设备无关量子随机数发生器，介于前两类之间。

早期的单光子探测方案只能实现1Mbps的速度，该方案最快也不过180Mbps，2010年之后利用真空涨落和激光相位噪声方案突破了1Gpbs，目前的高速量子随机数发生器基本上都是激光相位噪声方案。

2015年6月，中科大潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作，实验实现了极限值为68Gbps的高速量子随机数发生器。2017年12月，中国电子科技集团公司再次刷新世界纪录，其研制的高速量子随机数发生器实时产生速率超过5.4Gbps，极限值突破117Gbps。

而在实际应用中，量子随机数发生器的性能主要取决于实时速率。2021年1月，由俄罗斯国立科技大学(NUST MISiS)、俄罗斯量子中心、牛津大学、伦敦大学金史密斯学院和柏林自由大学组成的一个国际研究小组宣布实现有史以来最快的量子随机数发生器，虽然极限值没有刷新世界纪录，但是实时速率达到了8.05Gbps。

信任设备的量子随机数发生器的光学实验方案汇总。注：原始数据：原始的随机数产生率；提取后数据：经过随机数提取器后的随机数产生率；数据采集：由实验室专用设备采集还是商用设备采集；SPD：单光子探测器；MCP-PCID：微通道板光子计数成像探测器；PNRD：光子数分辨探测器；ASE：放大自发辐射；-：无相关信息。来源：光子盒整理

目前，国内主要量子通信公司的产品中都有量子随机数发生器。国盾量子的QRNG100E型量子随机数发生器基于激光自发辐射相位噪声，最大支持600Mbps输出；世融能量科技的SR1000量子随机数发生器基于真空涨落原理，产生速率1000Mbps，并通过了中国信息通信研究院的测试。其他QRNG供应商还有神州国信量子、九州量子、中创为量子、循态量子、如般量子、启科量子、安匠科技等。

在全球范围内，最知名的QRNG供应商是瑞士ID Quantique(IDQ)，于2018年被韩国最大移动通信运营商SKT收购。2020年7月三星发布的首款量子加密手机Galaxy A Quantum搭载了IDQ的QRNG芯片，2021年4月推出第二代量子加密手机Galaxy Quantum 2。IDQ新一代Quantis QRNG PCIe的最高速率是240Mbps。

IDQ新一代Quantis QRNG PCIe。来源：IDQ

其他QRNG供应商还包括东芝(日本)、InfiniQuant(德国)、PicoQuant(德国)、剑桥量子计算公司(英国)、Crypta Labs(英国)、KETS Quantum(英国)、Quant.um Dice(英国)、Quintessence Lab(澳大利亚/美国)、Quantum Numbers(加拿大)、evolutionQ(加拿大)、Whitewood Encryption Systems(美国)、Quantum Xchange(美国)、Quside(西班牙)等。

目前，商用QRNG随机数产生速率最高为1Gbps左右，比如Quantum Numbers和Quintessence Lab能够销售此类产品。

在美国、欧洲、日本等主要国家和地区，量子保密通信网络建设相对缓慢，但是量子随机数发生器的商业化水平较高。

在量子随机数发生器领域，QRNG在中国主要作为量子保密通信网络的组件，而国外将其作为单独销售的产品。

Inside Quantum Technology(IQT)甚至预测，到2025年，量子随机数发生器市场将突破60亿美元，到2030年将突破140亿美元。

QRNG市场规模预测。来源：Inside Quantum Technology

QRNG是量子技术的第一个大众市场，主要应用于智能手机、物联网IoT、金融、数据中心、电信、政府和军队、博彩以及R&D，这里说的应用不包括QKD中的QRNG。

目前，智能手机已经率先应用QRNG。2020年5月，三星发布第一代量子加密手机Galaxy A Quantum，前六个月就突破了30万的销量。由于第一代量子手机大获成功，今年三星继续推出Galaxy A Quantum 2。另外，越南手机厂商VinSmart推出的第一款5G智能手机Vsmart Aris 5G也集成了IDQ的QRNG安全芯片。

Galaxy A Quantum。来源：三星

未来，随着技术进步，QRNG将在更多行业发挥作用。

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