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近日，中國科大教授潘建偉、張軍等聯(lián)合浙江大學(xué)儲濤教授研究組，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時后處理，實(shí)現(xiàn)了速率達(dá)18.8 Gbps迄今最快的實(shí)時量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，相關(guān)研究成果以“封面論文”的形式發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美國物理聯(lián)合會（AIP）以“量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)尺寸和性能新基準(zhǔn)（Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance）”為題刊發(fā)新聞稿對該工作進(jìn)行了報(bào)道，SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒體也進(jìn)行了相關(guān)轉(zhuǎn)載報(bào)道。

期刊封面

隨機(jī)數(shù)是一種重要的基礎(chǔ)資源，在信息安全、密碼學(xué)、科學(xué)仿真、博彩業(yè)等眾多領(lǐng)域以及日常生產(chǎn)生活中都有著廣泛的應(yīng)用需求。與偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和其他物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不同，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是基于量子物理原理產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的系統(tǒng)，具有不可預(yù)測性、不可重復(fù)性和無偏性等特征，是量子通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心器件。長期以來，潘建偉、張軍等在實(shí)用化量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方向開展了系統(tǒng)性研究并取得了重要成果。例如，2014年首次提出基于外部時鐘參考的單光子到達(dá)時間測量方案，實(shí)現(xiàn)速率達(dá)100 Mbps的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；2015年實(shí)現(xiàn)了基于激光相位波動的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案；2016年研制了實(shí)時速率達(dá)3.2 Gbps的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

對于實(shí)用化量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，實(shí)時生成速率和集成度是核心指標(biāo)。然而，上述量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案難以實(shí)現(xiàn)高度集成。為此，潘建偉、張軍等進(jìn)一步發(fā)展了基于真空態(tài)漲落的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時與浙江大學(xué)儲濤等合作，針對該方案通過多次迭代制備了相應(yīng)的硅光芯片，并采用混合集成技術(shù)將硅光芯片、InGaAs平衡探測器以及跨阻放大器（TIA）封裝在尺寸為15.6mm×18mm的芯片內(nèi)。與此同時，通過進(jìn)一步優(yōu)化FPGA實(shí)時后處理算法和硬件實(shí)現(xiàn)，從而在實(shí)現(xiàn)高集成度的同時大大提升了量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實(shí)時生成速率。經(jīng)傳輸測試，該量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)的最終實(shí)時速率達(dá)到創(chuàng)世界紀(jì)錄的18.8Gbps。上述研究成果為開發(fā)低成本商用量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器單芯片奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

實(shí)時量子隨機(jī)數(shù)系統(tǒng)原理示意圖

該研究工作得到了科技部、中科院、自然科學(xué)基金委和安徽省等的資助，同時得到了科大國盾量子和中國電科四十四所的技術(shù)協(xié)助。

論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0056027

AIP報(bào)道鏈接：https://publishing.aip.org/publications/latest-content/quantum-random-number-generator-sets-benchmark-for-size-performance/

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）