源无关的高速量子随机数发生器实验研究

Quantum random number generator (QRNG) is a key device of quantum communication system, can output true randomness that is guaranteed by basic principle of quantum mechanics. Similar to the quantum communication, QRNG also suffers security risks caused by imperfection of the implementation devices under realistic conditions. However, the existing QRNGs cannot balance security and practicability. To solve the problem, we experimental study the source-independent QRNG in this project. By using a heterodyne detection scheme, the source-independent QRNG is realized with a generation rate of 10 Gbps magnitude. Furthermore, a prototype system will be designed and implemented with a real-time rate of 1 Gbps magnitude. The applicant has been in QRNG research for long time, developed the QRNG technology based on photon arrival time and laser phase fluctuations, and the speed of QRNG is experimentally pushed to 68 Gbps, which is reported by MIT Technology Review, and the related patent won the "19th China Patent Excellence Award". The applicant developed a QRNG prototype with a real-time generation rate of 3.2 Gbps, experimentally demonstrated a measurement-device-independent QRNG. The research experience laid the foundation for the project and the implementation will promote the practical research of QRNG and its applications, especially quantum communication.

量子随机数发生器（QRNG）是量子通信系统的关键器件，能够输出由量子力学基本原理保证的真随机性。同量子通信系统一样，QRNG也面临着现实条件下实现器件不完美带来的安全隐患。本项目拟开展源无关的QRNG实验研究，致力于解决现有QRNG无法兼顾安全性与实用性的难题。本项目通过使用外差探测实现源无关的量子随机数产生，产生速率可达10Gbps量级，并研制一台实时输出速率达到1Gbps的原型系统。申请人长期从事QRNG实验研究，发展了光子到达时间测量、激光相位波动测量等方案的QRNG技术，在实验上将速率提高至68Gbps，并被MIT Technology Review专门报道，相关专利荣获“第十九届中国专利优秀奖”，研制了实时输出速率达3.2Gbps的QRNG原型系统，首次实验实现了测量器件无关的QRNG，为本项目奠定了研究基础。本项目的实施能够有效推动QRNG及其应用的发展。

量子随机数发生器是量子通信系统中的关键器件，其质量直接关乎到整个系统的安全。常规的量子随机数方案的安全性建立在器件安全可信的基础上。在现实条件下器件往往是不完美的，这样会导致量子随机数发生器存在潜在的安全隐患。在本项目的支持下，针对量子随机数发生器在现实条件下的安全性问题，开展了深入的系统性研究。..通过对相关理论和实验方案进行深入的调查和比较，提出并实现了速率达到23 Mbps的测量器件无关量子随机数发生器，有效解决了现实条件下测量器件不完美对量子随机数产生所引起的最小熵估计错误以及由此带来的安全隐患；在实用化QRNG的集成化研究方面，开展了基于真空态方案的集成化量子随机数发生器验证实验，通过将方案中的硅光芯片、InGaAs平衡探测器和跨阻放大器集成在一个芯片上，展示出了集成芯片优良的高频特性，之后通过对后处理过程的优化，最终实现了速率达18.8 Gbps的实时量子随机数发生器。此项工作针对超快和紧凑QRNG应用场景提供了一种解决方案。在应用方面，研制了符合彩票应用场景的量子随机数发生器样机，并在实际彩票应用场景中进行了相关业务测试。..在本项目的执行期间，已发表与项目相关的SCI 论文1 篇，另有待发表论文2篇；共有受理/授权专利3项（其中1项已授权）。