近期我院量子信息团队在集成芯片量子随机数发生器研究方面取得重要进展，研究论文“Silicon-based quantum random number generator with untrusted sources and uncharacterized measurements” 被Optics Express杂志接收。该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上、广西自然科学基金项目、广西研究生教育创新项目等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.530045

作者：赵震庚（硕士生）、华昕（国家信息光电子创新中心）、杜永强（博士生）、徐辰宇（硕士生）、谢锋（博士生）、张振荣（教授）、肖希（国家信息光电子创新中心，通信作者）、韦克金（副教授，通信作者）。

主要内容简介：

随机数在模拟仿真、网络安全和密码学等领域有着重要的应用。量子随机数发生器（QRNGs）利用量子力学内禀随机性，能够产生真正随机且不可预测的随机数，是未来随机数领域的重要发展方向。硅光子芯片因其低成本、小型化特点，以及与CMOS技术的兼容性，使集成QRNGs的大规模部署成为可能。然而，现有的集成QRNGs通常基于完美或部分完美的设备模型，这与实际设备之间存在偏差，可能会削弱随机数的不可预测性。因此，提升集成QRNGs的安全性成为了该领域的关键研究课题。

在这项研究中，作者开发了一套高安全性的集成QRNGs系统，该系统可以在源端不可信、测量端可信但不需要表征的情况下产生随机数。实验系统如图1所示，核心组件包括硅基集成偏振编码芯片与解码芯片。该系统通过偏振编解码芯片调制和测量源端发出的量子态，并采用Xin Lin等人提出的半设备无关QRNG协议[Phys. Rev. Lett. 129, 050506 (2022)]进行后处理，可以实现安全随机数的提取。在实验阶段，作者首先验证了系统可以利用不同强度的激光提取安全随机数（如图2中紫色点所示），然后通过优化实验过程最高实现了4.04 Mbps的随机数产生率（如图2中红色点所示）。实验产生的随机数都通过了美国国家标准化随机数检测工具（NIST）的所有测试，进一步证实了随机数的质量和在密码学等领域应用的适用性。

这项研究对于推动高安全性、低成本和小型化QRNGs系统的开发具有重要意义。

图1：集成QRNGs实验系统图。(a) 不可信源。Laser：激光二极管，VOA：可变光衰减器。(b) 可信但不需要表征的测量部分。Encoder：偏振编码芯片，Decoder：偏振解码芯片，SPD：单光子探测器，Electronics I/O：电子学控制设备。(c) 偏振编码芯片内部结构示意图。(d) 偏振解码芯片内部结构示意图。(e) 偏振编码芯片实物图。(f) 偏振解码芯片实物图。

图2：随机数产生率随平均光子数的变化关系。蓝线表示仿真结果，红色点表示优化后的实验结果，紫色点表示未优化的实验结果。