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中國科學家實現(xiàn)世界最快實時量子隨機數發(fā)生器
據中國科學技術大學7月2日消息，近日，中國科大教授潘建偉、張軍等聯(lián)合浙江大學儲濤教授研究組，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實時后處理，實現(xiàn)了速率達18.8 Gbps迄今最快的實時量子隨機數發(fā)生器，相關研究成果以“封面論文”的形式發(fā)表于《應用物理快報》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美國物理聯(lián)合會（AIP）以“量子隨機數發(fā)生器實現(xiàn)尺寸和性能新基準（Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance）”為題刊發(fā)新聞稿對該工作進行了報道，SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒體也進行了相關轉載報道。
期刊封面
隨機數是一種重要的基礎資源，在信息安全、密碼學、科學仿真、博彩業(yè)等眾多領域以及日常生產生活中都有著廣泛的應用需求。與偽隨機數發(fā)生器和其他物理隨機數發(fā)生器不同，量子隨機數發(fā)生器是基于量子物理原理產生真隨機數的系統(tǒng)，具有不可預測性、不可重復性和無偏性等特征，是量子通信系統(tǒng)中的關鍵核心器件。長期以來，潘建偉、張軍等在實用化量子隨機數發(fā)生器方向開展了系統(tǒng)性研究并取得了重要成果。例如，2014年首次提出基于外部時鐘參考的單光子到達時間測量方案，實現(xiàn)速率達100 Mbps的量子隨機數發(fā)生器；2015年實現(xiàn)了基于激光相位波動的高速量子隨機數產生方案；2016年研制了實時速率達3.2 Gbps的量子隨機數發(fā)生器。
對于實用化量子隨機數發(fā)生器，實時生成速率和集成度是核心指標。然而，上述量子隨機數產生方案難以實現(xiàn)高度集成。為此，潘建偉、張軍等進一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機數產生方案并完成相關實驗驗證，同時與浙江大學儲濤等合作，針對該方案通過多次迭代制備了相應的硅光芯片，并采用混合集成技術將硅光芯片、InGaAs平衡探測器以及跨阻放大器（TIA）封裝在尺寸為15.6mm×18mm的芯片內。與此同時，通過進一步優(yōu)化FPGA實時后處理算法和硬件實現(xiàn)，從而在實現(xiàn)高集成度的同時大大提升了量子隨機數發(fā)生器的實時生成速率。經傳輸測試，該量子隨機數發(fā)生器系統(tǒng)的最終實時速率達到創(chuàng)世界紀錄的18.8Gbps。上述研究成果為開發(fā)低成本商用量子隨機數發(fā)生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。
實時量子隨機數系統(tǒng)原理示意圖
該研究工作得到了科技部、中科院、自然科學基金委和安徽省等的資助，同時得到了科大國盾量子和中國電科四十四所的技術協(xié)助。
- 原標題：中國科學家實現(xiàn)世界最快實時量子隨機數發(fā)生器
- 責任編輯: 連政
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