中國科大合作研制成功世界上最快的量子隨機數發生器

　　最近，中國科學技術大學潘建偉、張軍等和英國牛津大學的同事合作，實驗實現了68 Gbps的高速量子隨機數發生器，相關論文發表于《科學儀器評論》[Rev. Sci. Instrum. 86, 063105 (2015)]。美國科技評論雜志MIT Technology Review 以《世界最快的量子隨機數發生器在中國誕生》（World's Fastest Quantum Random Number Generator Unveiled in China）為題對該項工作進行了報道。該成果為未來超高速量子密碼系統的量子隨機數需求提供了可行的解決方案。

　　隨機數發生器是用來產生隨機數序列的一種器件，真隨機數通常基于物理系統并具備不可預測性、不可重復性和無偏性等特征。量子隨機數發生器是基于量子物理原理或量子效應而產生真隨機數的系統，在實用化量子密碼系統等對隨機性質量和安全性要求較高的領域中具有重要的應用。比特率是量子隨機數發生器最重要的指標。早期的量子隨機數發生器利用單光子路徑選擇方案，比特率僅為4 Mbps。為了獲得高比特率的量子隨機數，近年來科學家們提出了各種方案，例如單光子到達時間測量方案可以把比特率提高至100 Mbps量級，2012年加拿大多倫多大學Lo小組實現了6 Gbps的量子隨機數發生器系統等。

　　目前，實用化量子通信領域的一個重要目標是將量子密碼系統的工作頻率提升至10 GHz量級，對于這樣的系統需要50 Gbps以上的量子隨機數對單光子脈沖進行調制編碼。為此，潘建偉小組發展了基于激光相位波動的超高速量子隨機數產生技術，利用功率實時反饋等手段實現了無需溫控的高穩定度干涉儀，可以將半導體激光器中自發輻射光子的量子相位波動信息轉化成強度信息進行超高速采樣。同時，該小組對激光器的工作電流進行了系統性優化，使得量子相位波動貢獻與經典噪聲貢獻的比例實現了最大化。通過最小熵模型確定原始數據中量子隨機數的比例下限并提純后，最終輸出的量子隨機數比特率達68 Gbps，這和此前的最快速率相比提高了一個數量級。

　　上述研究得到了科技部、基金委、中科院和教育部的資助。