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我科學家實現迄今最快的實時量子隨機數發生器
科技日報記者? 吳長鋒
記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、張軍等聯合浙江大學教授儲濤研究組，通過研制硅基光子集成芯片和優化實時后處理，實現了速率達18.8 Gbps迄今最快的實時量子隨機數發生器。相關研究成果日前以“封面論文”的形式發表于《應用物理快報》上。
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、博彩業等眾多領域以及日常生產生活中有著廣泛的應用需求。與偽隨機數發生器和其他物理隨機數發生器不同，量子隨機數發生器是基于量子物理原理產生真隨機數的系統，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生器方向開展了系統性研究并取得了重要成果。2014年，他們首次提出基于外部時鐘參考的單光子到達時間測量方案，實現速率達100 Mbps的量子隨機數發生器。2015年，實現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 的量子隨機數發生器。對于實用化量子隨機數發生器，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高度集成。
為此，潘建偉、張軍等進一步發展了基于真空態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、砷化銦鎵平衡探測器以及跨阻放大器封裝在尺寸為15.6毫米×18毫米的芯片內。他們通過進一步優化現場可編程邏輯門陣列實時后處理算法和硬件實現，從而在實現高集成度的同時大大提升了量子隨機數發生器的實時生成速率。經傳輸測試，該量子隨機數發生器系統的最終實時速率達到創世界紀錄的18.8 Gbps。
這一研究成果為開發低成本商用量子隨機數發生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。
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