基于真空态量子涨落的高速量子随机数产生的研究

High-speed true random number sources are essential in cryptography. Using purity of a continuous-variable quantum vacuum state, which cannot be controlled by an attacker due to its inherent purity, unique RNGs can be generated. Unfortunately, the achieved random bits generation rates based on vacuum quadrature fluctuations are limited due to the bandwidth of homodyne detectors. Here we propose improvement schemes at the phases of entropy source preparation and homodyne detection for quantum RNGs. The main proposal of the project is: 1) Amplify the vacuum state amplitude quadrature fluctuations in the phase space by applying a displacement which is Gaussian distributed to the vacuum state. The entropy component of quantum-mechanical effects in the total entropy, and correspondingly the extractable quantum random bits will increase. 2) Raise the sensitivity of homodyne to the vacuum state quadrature. By raising the local beam intensity in the homodyne system, maximize the measurements of vacuum quadrature to add the bins of the probability distribution of the vacuum state, i.e., bits per sample in the phase of analog-to-digital conversion. Based on these researches, the generation velocity of the vacuum quantum RNGs will be enhanced efficiently.

快速真随机数发生器是密码学系统和绝对安全保密通讯的重要基础。基于光场真空态量子噪声提取的量子随机数具有信息论可证明的随机性和不可能被复制或关联操控的特性，在量子密码学系统中具有重要的应用前景。然而，目前国内外报道的真空量子随机数发生器其产生速率尚比较低。本项目提出在真空量子随机数产生过程中，通过提高系统中量子噪声引入的熵含量和增加采样量化比特位的途径提高量子随机数的产生速率。本项目主要研究：1）通过对相空间中的真空态施加高斯分布的平移作用以实现真空态正交振幅分量噪声在相空间中的放大，提高系统中量子噪声引入的熵含量，增加数据后处理中可提取的真随机比特；2）通过增强平衡零拍探测系统的本底光提高探测系统对真空噪声的敏感度，放大真空噪声的测量值，使真空噪声统计分布的分帧量，即采样量化比特位显著增加。通过这些研究，实现真空量子随机数产生速率的有效提高，为制备高速量子随机数发生器提供新的手段。

随机数广泛应用于数学模拟、统计抽样、博彩、身份认证、网络交易、电子银行、经典及量子保密通信等领域，特别是对国家信息安全起着至关重要的作用， 如，随机码发生器是加密技术的关键，从根本上决定着的通信系统的隐私和安全。本项目研究以无限带宽真空量子噪声为随机熵源，产生随机性信息论可证明、不可被复制或关联操控的真随机数，面向实际应用，实现实时、高速、稳定集成的量子随机码发生器。. 基于本项目支持首先研究了真空基量子随机数产生方案中量子熵含量的有效提高，量子熵含量是量子随机数品质和量子随机码产率的决定因素，我们综合分析了量子随机数产生系统的各个影响因素：经典边信息、量化动态范围、本底增益和电子学增益，在理论计算分析的基础上，提出在最优化量化动态范围的前提下通过提高本底增益而有效提高系统量子熵含量，实验上实现了85.3%的真随机提取比率，为将来实用化的高速、高安全性量子随机数发生器的实现提供了切实可行的方案。. 随后进行了面向高速密钥分发的混沌光场量子统计特性的研究，完成了混沌光场二阶相干度的高精度测量，获得了不同动力学状态下对应的光场高阶相干度的理论和实验结果，重构出光场的概率分布，给出最佳随机性状态的条件，得出高速密钥分发过程中光源工作的最佳条件，并经过协商纠错和保密处理，将误码率降到10^(-10)量级，达到光纤通信要求。上述研究成果为混沌光场保密通信、随机密钥产生的进一步研究奠定了良好的基础。. 目前的延续性研究工作中，我们致力于面向实际应用的10Gbps级计量标准量子随机数发生器的研究，现已实现3Gbps的实时量子随机数产生，相关工作将于近期整理发表。后续将通过量子多模分量提取的方法成倍提高量子随机数产生速率，并将实现高熵高速量子随机数发生器的集成化和小型化，为其将来在保密通信领域的实际应用和成果转化提供条件。