100Gbit/s！量子随机数生成再创记录

光子盒研究院出品

近日，来自根特大学-校际微电子中心、丹麦技术大学和巴里理工大学的物理学家团队报告说，可以使用量子涨落(Quantum fluctuation)比标准方法更快地生成随机数。在PRX Quantum杂志上报道的他们的研究中，该小组利用粒子和反粒子对的行为来创建随机发生器，其速度比传统系统快200倍。 

随机数生成在计算机科学中很重要，除了在视频游戏中生成随机背景和场景等应用之外，随机数还用于为许多敏感应用创建加密密钥。同时，随机数对于统计分析、概率论和现代计算机模拟、数字密码学和加密货币钱包来说也很重要。 新兴的通信和密码学应用程序需要可靠的、快速的、不可预测的随机数生成器。由于量子力学中固有的随机性，量子随机数的产生允许产生真正不可预测的数。一种流行的方法是利用量子真空状态来产生随机数。虽然方便，但与其他方案相比，这种方法的速度普遍有限。
在此次研究中，通过光电集成电路的定制协同设计和数字滤波减少侧信息，该实验证明了100Gbit/s的超快产生速率，为基于真空的量子随机数生成创造了一个数量级的新记录。此外，该实验演示得到了一个升级的设备依赖框架的良好支持，该框架对经典和量子侧信息都是安全的，并且也正确地考虑了数字化过程中的非线性。这种在芯片规模平台上的超快安全随机数发生器为下一代通信和密码学应用提供了前景。

 量子随机数生成器(QRNG)通过使用零差检测测量真空状态|0>的任意求积Q来生成随机数。在实践中，使用平衡零差探测器，包括光学混合元件、一对平衡光电二极管和跨阻抗放大器，其输出使用模数转换器(ADC)数字化，并进一步蒸馏成真正的随机位序列。 

图 1基于真空状态|0>的正交测量的量子随机数发生器的方框图。

一般来说，基于真空噪声的RNG的速度受到平衡零差探测器速度及其噪声性能的限制。通过集成零差探测器，在发射噪声限制的带宽中得到了显著的改进，实现了更高的生成率。
QRNG的实际实现如图2所示。将一个1550nm的连续波激光器（Koheras Basik E15）馈入到使用imec的iSiPP50G硅光子学平台制作的光子集成电路(PIC)中。PIC包含一个连接到两个光电二极管的可调谐的2×2混合元件。光电流通过100nm砷化镓伪形高电子移动晶体管（pHEMT）技术转换为电压，并通过线性宽带放大器（SHF 807）放大以最佳地填充ADC范围。
接下来，通过Keysight DSOZ632A数字存储示波器(DSO)对模拟信号进行数字化，该示波器具有一个内部的8位ADC，采样率为20 GS/s。捕获的数据被离线处理，以平衡检测器的响应，并基于所提出的最小熵框架生成随机比特流。除了明显减少尺寸外，使用定制的集成平衡零差检测器提供了设计电路的可能性，以最适合手头的应用程序，因此与离散的现成实现相比，大大提高了性能。
此外，探测器的频率响应在高频处逐渐出现增益下降，这限制了平衡探测器响应所需的FIR抽头的数量。同时使用Sec的最小熵框架。

图 2对QRNG（量子随机数生成器）设置的概述。(a)用来产生随机数的真空噪声。(b) 一个制造的PIC和TIA的显微照片。(c)数字化后的高斯分布。( d )抽取的随机32位整数的分布，分组为256个分箱。

现在可以测量估计图2中所示的设置的生成率所需的指标。应该获得的各种指标是ADC的最大DNL，零差测量的PSD和过量噪声，最后是FIR-滤波器抽头系数。

图3 (a) 捕获的正弦波中存在的误差的热图。插图显示了代码-50、0和100的分布情况。蓝线代表INL，即每个数字化结果的误差平均值。(b) 积分非线性与ADC编码的关系。(c) 差分非线性与ADC编码的关系。
为了验证时间相关性的改进，团队拟合了一组测量数据，并应用于另一组独立的数据集。当检查第二组数据在均衡前后的自相关性时，如下图所示，可以明显地看出，均衡后的时间相关性确实有了显著的改善。

图4 均衡器对自相关的影响。自相关系数是10000个测量数据集的平均值。
在这项工作中，一个集成的量子随机数发生器基于真空涨落实现100 Gbit/s的产生速率。这种生成速率是通过应用一个对经典和量子侧信息都有安全的框架来获得的。建立了一种测量静态ADC非线性的方法。然后，通过应用检测器均衡化，补偿了接收机中存在的有限带宽，减少了量子侧信息泄漏造成的损失量。与最近基于真空波动的随机发电机相比，100 Gbit/s的速率要快得多。 以前，使用真空波动实现高产生率的限制因素之一是在测量中存在经典噪声。通过使用定制的特定应用的集成电路，团队证明了这一瓶颈可以大大减少，证明了基于真空波动的量子随机数生成器(QRNG)对于要求高生成率的应用是一种可行的解决方案。 参考链接：[1]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.010330[2]https://phys.org/news/2023-04-quantum-fluctuations-generate-random-faster.html 
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