利用四波混频效应实现免量化的全光量子随机数产生

High speed random numbers have a wide range of applications, such as secure communications. The rates of random numbers based on the single photon detection technology are low. The rates of random numbers based on the continuous random sources are limited by the bandwidth bottleneck of electronic components and thus not suitable for modern high-speed communications. The random numbers can generate by sampling and quantizing technique in the optical domain and overcome the limitation of electronic bottleneck. But, the optical quantization is not mature and hinders the development of this technology..This project develops a high-speed all-optical quantum random numbers without quantization. In the high nonlinear fiber based on the degenerate four wave mixing effect can be utilized to generate these random bi-phase states. The signal field with respect to the pump field locked to one of two possible states offset by pi. The signal light is divided into two parts, one part with optical delay meets another. The interference of the output signals will randomly toggle between high and low intensity levels resulting in a sequence of “zeros” and “ones”..This project does all signal processing only in the optical domain without optical quantization and can overcome the limitation of electronic bottleneck. The rate of random number is only decided by the repetition frequency of the pump. Moreover, the all-optical random numbers can be compatible with the optical signal transmitted in optical communication networks directly. The high-speed all-optical quantum random numbers are suitable for modern high-speed communications.

高速随机数在信息通信安全等领域有着广泛而重要的应用。单光子探测技术产生随机数的速率较低，基于连续型随机源生成随机数受“电子速率瓶颈”的限制，无法适应现代高速通信安全的需要。在光域内，采用采样、量化技术产生随机数可突破“电子速率瓶颈”，但光量化技术不成熟，阻碍了该方案的发展。.本项目提出一种免量化的全光高速量子随机数产生的方案。基于高非线性光纤中的简并四波混频效应产生相位具有量子随机性的信号光，该信号光的相位相对于泵浦光随机为“0”或“pi”。产生的信号光均分为两路，其中一路光经延迟后与另一路光干涉，则输出信号的强度将会在“0”和“1”状态中随机出现，从而实时获得免量化的全光高速量子随机码。.本方案完全在光域内进行，可突破电子瓶颈限制，无需光量化技术，实时产生全光高速量子随机码。且随机码的速率仅由泵浦光的重复频率决定，产生的随机码可与光通信网络中的光信号直接兼容，满足现代高速通信安全的需要。

高速随机数在信息通信安全等领域有着广泛而重要的应用。单光子探测技术产生随机数的速率较低，基于连续型随机源生成随机数受“电子速率瓶颈”的限制，无法适应现代高速通信安全的需要。在光域内，采用采样、量化技术产生随机数可突破“电子速率瓶颈”，但光量化技术不成熟，阻碍了该方案的发展。.本项目利用了反简并四波混频效应产生信号光的相位相对于泵浦光随机为“0”或“pi”的特性，产生全光量子随机码。特别是理论分析研究了光纤的色散、非线性等参数对形成简并四波混频效应的影响。除此以外，还提出了一种基于孪生光束产生两路相同的量子随机数的方案。本项目也研究了基于混沌激光源、VCSEL模式跳变、电噪声这些自然界的物理熵源产生随机数的方法。全光量化技术是目前产生全光随机数的技术难点，因此全光量化技术的研究对产生高速随机数具有很重要的促进作用。本项目基于切割超连续谱实现实时高速的全光量化。.项目执行过程中，取得的主要成果有：发表期刊论文7篇；申请国家发明专利9项（授权3项）；出版专著一部；举办国内会议1次，参加国内及国际学术会议6人次，项目负责人入选“中西部高等学校青年骨干教师国内访问学者”，项目组成员与英国班戈大学进行合作交流。此外，在本项目的资助下，先后培养博士生1名，硕士生4名，博士在读研究生1名，硕士在读研究生4名；项目组负责人及项目组成员3人均升至副教授并获得三晋英才“优秀青年人才”称号。.本项目的实现可突破电子瓶颈限制，无需光量化技术，实时产生全光高速量子随机码。