基于超连续谱随机起伏并行产生高速、实时物理随机数研究

Physical random numbers have great applications in many fields such as cryptography, secure communication and national security. Utilizing deterministic algorithms can generate fast pseudo-random numbers, but they can not ensure completely secure communications. These existing physical random number generation techniques are limited by the bandwidth of electronic elements so that their real-time bit rates are difficult to satisfy the security requirement of modern high-speed communications.. This project is based on the random fluctuation and wideband spectrum characteristics of the supercontinuum, utilizes parallel processing technique to reduce the requirement for the device with a fast response and thus develops a method for high-speed and real-time physical random number generation. Employing a long pulse light to pump a phase-matching high nonlinear fiber, we can obtain a train of supercontinuum pulse with a fixed high repetition frequency but obviously random intensities. After demultiplexing it with the WDM technique to create multi-wavelength optical sources, we can achieve the parallel extraction of physical random number sequences through the 1-bit ADC quantization and its real-time bit rate is expected to reach several dozens of Gb/s.. The achievement of our project can efficiently overcome the problem of limited real-time rate induced by the electronic bottleneck，provide technical supports for the realization of the completely secure communication, ‘one-time pad’, and promote the development of high-speed secure communications and large-scale parallel computations.

物理随机数在密码学、保密通信及国家安全等领域具有重要应用。利用确定性算法可以快速产生伪随机数，但无法保证通信的绝对安全；现有物理随机数产生技术受限于电子器件带宽，实时码率难以适应现代高速通信的安全需要。. 本项目基于超连续谱随机起伏特性和宽带光谱特性，利用并行处理技术降低对器件响应速率的要求，发展一种高速、实时物理随机数产生方法。长脉冲激光泵浦色散匹配的高非线性光纤产生高重频、强度显著随机起伏的超连续谱脉冲序列，经WDM光解复用出多个不同波长的独立子序列，采用1位ADC量化技术，完成物理随机数序列的并行提取，实时速率有望达数十 Gb/s。. 本项目的实现，可有效克服器件电子瓶颈导致的实时码率不足问题，为绝对安全“一次一密”保密方案的实现提供技术支撑，促进现代高速保密通信及大规模并行计算等相关学科的发展。

物理随机数在密码学、保密通信及国家安全等领域具有重要应用。利用算法可产生快速随机数，但不满足完全随机的要求；现有物理随机数发生器受电子器件带宽的限制，无法适应现代高速通信的安全需要。.本项目基于超连续谱随机起伏特性和宽带光谱特性，利用并行处理技术降低对器件响应速率的要求，发展一种高速、实时物理随机数产生方法。长脉冲激光泵浦色散匹配的高非线性光纤产生高重频、强度显著随机起伏的超连续谱脉冲序列，经WDM光解复用出多个不同波长的独立子序列，采用1位ADC量化技术，完成物理随机数序列的并行提取，实现了高达70 Gb/s的实时速率。.围绕上述关键技术，本项目详细分析了不同功率、不同中心波长的泵浦信号对产生超连续光谱的影响；实验论证了并行子熵源的独立性；提出并研究了六种面向高速物理随机数产生的光电/全光量化方案；进行了全光随机数样机研制和六款随机特性在线分析及评估软件的设计及开发；建立了布朗运动数学分析模型以准确定位超连续谱熵源与随机性之间的内在关联性；并将研究成果初步应用于了图像及视频等信息加密实践中。.项目执行过程中，获教育部技术发明奖二等奖1项、山西省技术发明一等奖1项、中国发明专利优秀奖1项、山西省优秀学术论文一等奖1项；发表期刊论文16篇（其中SCI收录13篇）、会议论文9篇；授权国家发明专利14项、公开国家发明专利16项；授权软件著作权6项；参加国内及国际学术会议30人次（含邀请报告1个，口头报告11个）；举办国内会议1次。.此外，在本项目的资助下，先后培养博士2名、硕士10名；项目组负责人晋升教授且荣获“山西省高等学校优秀青年学术带头人”称号，项目组成员2人晋升副教授。.本项目的实现，可有效克服器件电子瓶颈导致的实时码率不足问题，为绝对安全“一次一密”保密方案的实现提供技术支撑，促进现代高速保密通信及大规模并行计算等相关学科的发展。