高速实时物理随机数产生中高维混沌光场的熵值量化

High-speed and real-time random number generator is a vital ingredient of cryptography and unconditional secure communication. Optical fiber communications play a key role in national information security, especially in high-speed and large-capacity secure communication network. In order to achieve absolute secure communications that is compatible with fiber communication network, user should be made of the well-known “one-time-pad” cipher. Real-time Gbits/s physical random number and its security become the prerequisite and necessary for this cipher. It is very important to evaluate the quality and security of real-time physical random number. Unfortunately, it is still unexplored of real-time evaluation and quantification for physical random number. Security monitoring and protection of entropy source are also absent in the process of physical random number generation. In this project, we propose a scheme of quantifying and monitoring high-dimensional chaotic entropy based on a photon-counting detection. The transition from microscopic shot noise to macroscopic chaos is quantified by statistical properties and entropy rate. We can solve important and fundamental problems unaddressed that are real-time characterization and manipulation of high-dimensional chaotic laser and distinction between pseudorandom number generators and physical random number generators. Without post processing, randomness can be estimated and quantified by raw output signals of entropy source. Consequently, it is applied to extract true random bits from entropy source in real time. Our research will provide essential research basis for improving the quality of entropy source, the rate of random number generation, and distributing secure random number.

高速真随机数发生器是密码学系统和绝对安全保密通信的重要基础。现今高速大容量的光纤通信网络已成为国家信息安全的骨干网络，要实现信息论可证明同时与目前光纤网络兼容的“一次一密”的无条件安全通信，Gbits/s以上物理随机数的实时产生及安全性就成为其必备条件，故物理随机数的实时生成质量与安全性评估就显得尤为重要。遗憾的是，尚缺少针对物理随机数产生的实时评测与量化，同时在物理随机数产生过程中也缺乏对信源的安全监测与保障。本项目提出一种基于光子计数的针对高维混沌光场的熵源量化与安全监控方案，度量从微观散粒噪声到宏观混沌随机过程的统计特性及熵率变化。解决目前无法对高维混沌熵源实时调控及表征，以及算法伪随机数与物理真随机数评测无法区分的问题。同时无需后处理可直接利用熵源产生的模拟信号进行表征量化，最终实现熵源随机性的实时提取，为改善熵源质量、提高随机数产生速率及安全随机数的分发等方面提供必要的研究基础。

非周期、不可预测的物理随机数不受限于软件算法与计算速率，在信息安全中发挥着重要作用，其中混沌物理随机数因其高速、兼容性好的特点已被应用于新一代保密通信中，但对其随机性评测仍为软件离线测试，且无法区分判别随机性的物理来源与过程，其实用化进程面临随机性难以实时高速评测量化、熵源安全性有待提升的问题。. 针对上述问题，本项目研究了高维混沌光场的高阶光子自关联与互关联，建立了高时间分辨噪声起伏特性的量子测量与分析平台，完成了从量子散粒噪声到混沌动力学物理过程的高速熵率量化及熵源的精确表征，并实现了散粒噪声与混沌光场的区分；进而利用频带提取与量子噪声注入有效提升了混沌熵源的熵含量及安全性，完成了高质量混沌熵源的制备；此外将高阶光子关联测量拓展至量子态的研究，实现了量子态高阶相干性的连续调控，并在皮秒探测分辨时间及高信噪比单光子调制技术上完成了对极弱压缩度的测量与亚声频低频压缩光的制备。具体研究结果如下：. （1）建立了随机起源高维混沌光场产生与量子统计分析理论模型，基于多路时分复用单光子探测方案及高阶自卷积方法，实现了分辨时间65ps、对带宽11GHz以上高维混沌光场二阶至四阶光子关联与相干时间的测量，相对统计偏差低于5‰，精确表征了混沌光场振幅起伏与光子分布特性；利用非平衡光子干涉系统，精确度量了反应混沌光场相位起伏的二阶光子互相关，并判别了不同混沌状态；. （2）建立了高速探测与宽带零拍测量结合的排序熵率量化实验平台，可准确快速评测物理过程的随机性，并明确区分混沌光场和散粒噪声的熵增变化，度量散粒噪声到混沌动力学的过渡，实现了10Gbit/s以上物理随机数生成中熵源随机性评测量化；进而利用频带提取与窄带量子噪声注入有效提升混沌光源的安全性与熵含量，时延周期抑制比达94%以上；建立了安全性信息论可证的高速实时硬件后处理平台，解决了混沌物理随机数生成中难以实时安全后处理的问题；. （3）将多路单光子探测方案拓展至量子态的探测调控，通过调控量子态相位，实现了高阶光子关联从反聚束到超聚束的连续可控；利用1ps分辨时间高阶光子关联探测，实现了对极弱压缩度的精确测量，并通过单光子反馈调制，实现了10Hz量子光源的制备。. 上述研究结果为实时高速物理随机数的实用化进程提供必要的支持，在实时评测随机性与提升安全性的同时，拓展了本量化方案在量子通信与精密测量领域的应用。