量子隨機數實驗研究.pdf

1、量子力學與信息科學的結合，誕生了一個嶄新的學科—量子信息學，主要包括量子計算與量子通信，其中量子通信提供了一個理論上無條件安全的通信方式，經過幾十年的快速發(fā)展，已經到了實用化的階段。在量子通信系統(tǒng)的研發(fā)中，關鍵器件的研制起著至關重要的作用。事實上，當前量子通信領域激烈的國際競爭已經逐步演變成單光子探測與隨機數產生等關鍵器件與關鍵技術研發(fā)的競爭。在量子通信系統(tǒng)中，需要用到大量的隨機數序列，并且所用隨機數的質量直接關乎到整個系統(tǒng)的安全性。在

2、隨機數產生技術中，通過測量量子物理系統(tǒng)中內秉的隨機特性產生真隨機數的量子隨機數發(fā)生器（QRNG），輸出的隨機性是由量子力學基本原理所保證的，因此相比于其它隨機數產生技術來說更具優(yōu)勢，自然地成為了量子通信系統(tǒng)中的關鍵器件與關鍵技術。
　　本論文作者在博士期間的主要工作是QRNG的實驗研究，主要集中在QRNG系統(tǒng)的實用化與現實條件下的安全性兩個方面。在實用化方面，先后發(fā)展了基于光子到達時間測量、激光相位波動測量等方案的高速量子隨機數產

3、生技術，并研制了一個實時高速的QRNG模塊，為未來超高速量子通信系統(tǒng)的量子隨機數需求提供了可行的解決方案，推動了QRNG的實用化進程。在現實條件下量子隨機數的安全性方面，首次在實驗上實現了測量器件無關(MDI)的QRNG(MDI-QRNG)，有效地解決了現實條件下測量器件不完美對量子隨機數產生引起的最小熵估計錯誤以及由此帶來的安全隱患。
　　本論文主要介紹了QRNG相關的概念、原理、方案以及本論文作者在博士期間的QRNG實驗研究工

4、作。在光子到達時間測量的QRNG實驗研究中，提出并實現了相對于外部固定參考的光子到達時間測量的QRNG方案，能夠輸出接近于理想均勻分布的原始隨機數據，原始比特率達到了109 Mbps。在激光相位波動測量的QRNG的實驗研究中，實驗實現了速率高達68 Gbps的QRNG，相比此前國際上最快的QRNG，速率提高了一個數量級。為了滿足干涉儀穩(wěn)定性的需求，主動反饋系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)實現了干涉儀的相位穩(wěn)定控制。為了推動QRNG的實用化進程

5、，在實驗演示的基礎上研制出實時速率為3.2 Gbps的QRNG模塊，并首次在高速FPGA中實現了基于Toeplitz矩陣的實時高速的隨機性提取算法。在現實條件下QRNG系統(tǒng)的安全性方面的實驗研究中，首次實驗實現了一種基于時間相位編碼方案的MDI-QRNG，可以在不對測量器件進行標定甚至測量器件不可信的情況下輸出經過認證的量子隨機數，最終比特率為5.7 Kbps。這種全部使用光纖器件實現的系統(tǒng)為構建全集成式的實用化MDI-QRNG提供了一