近期，我院量子信息团队与天体物理团队合作在基于X射线的量子随机数发生器研究方面取得重要进展，研究成果以"X-ray-driven multi-bit quantum random number generator"为题被期刊《Optics Express》接收发表。该工作获得广西相对论天体物理重点实验室自主研究课题、国家自然科学基金重点项目等项目资助。

随机数在密码学、仿真建模和赌博等多个领域中起着至关重要的作用。量子随机数发生器（Quantum Random Number Generators，QRNGs）利用量子物理过程中的固有随机性来产生随机数，所输出的比特序列具有不可预测性和不可重复性，能够满足各种信息技术的要求。在过去的几十年中，研究者们致力于开发高效的QRNGs，以提高其安全性、产生速率和实用性。目前，如何在单次测量过程中提取出多个随机比特，从而提高随机数产生速率，仍然是QRNGs领域内一个备受关注的研究方向。

这项研究提出了一种基于X射线辐射的多比特量子随机数发生器方案，利用宇宙X射线偏振探测器（Cosmic X-ray Polarization Detector，CXPD）探测X射线光子，从光子的到达时间、空间位置和偏振方向三种模式中提取随机数。该方案（如图1所示）的优势在于实现了三种熵源的随机性读出，有效提高了每光子事件的随机数产生速率。为了验证这一方案，研究团队搭建一个实验系统（如图2所示）。实验结果表明，该方案实现了每光子的量子随机数产生速率为33.7 bits，且所产生的随机数通过了美国国家标准化随机数检测工具（如图3所示），证明了方案的可行性。这项研究为基于单光子探测的多比特QRNGs提供了一种新的方案，有望在各种技术应用中提高安全性和可靠性。

图1：利用X射线辐射的多比特QRNG原理图。（a）光子到达时间测量的随机数提取方法。（b）光子空间位置测量的随机数提取方法。（c）光子偏振测量的随机数提取方法。

图2：多比特QRNG实验设置。（a）装置结构图。RI，无偏的放射性同位素⁵⁵Fe；BW，厚度为100 𝛍m的铍窗；SC，气密室；GMCP，气体微通道板；TC，Topmetal芯片。（b）和（c）为GMPD和读出电路的实物图。

图3：（a）随机比特的自相关测试。测试文件的数据大小为10⁷位。红色虚线表示原始比特，蓝色实线表示最终的随机比特。（b）NIST测试的结果。测试项目的显著性水平设为0.01。

论文作者：林广燊（硕士生），封焕波（博士生），李世卓（硕士生），谢锋（博士生），张振荣（教授），刘宏邦^*（教授、通信作者），韦克金^*（副教授、通信作者）

论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-14-24432&id=552329