新型量子随机数发生器，体积更小，速度更快

文/陈根

随机数发生器是用来产生随机数序列的一种器件，真随机数通常基于物理系统并具备不可预测性、不可重复性和无偏性等特征。普通的计算机基于软件算法，其实现的随机数生成器看上去产生的是随机数，但其实是确定性的数字序列，这就带来了许多信息安全隐患。

由于随机性是量子过程的基本属性，因此科学家们把研究方向转向了量子力学，并研发出量子随机数发生器（QRNG）。

量子随机数发生器是基于量子物理原理或量子效应而产生真随机数的系统，在实用化量子密码系统等领域中具有重要的应用。比特率是量子随机数发生器最重要的指标。早期的量子随机数发生器利用单光子路径选择方案，比特率仅为4 Mbps。为了获得高比特率的量子随机数，近年来科学家们不断寻求突破。

2012年加拿大多伦多大学Lo小组实现了6Gbps的量子随机数发生器系统；2021年由俄罗斯量子中心、牛津大学等科学家开发的量子随机数发生器能够以8.05Gbps的速度产生随机数；而最近，我国科学家打造的量子随机数发生器速度达18.8Gbps，成为迄今为止最快的量子随机数发生器。

一直以来，只有体型较大、速度相对较慢的QRNG才能达到与量子物理基本定律相当的随机性水平，且大多数QRNG都使用了单独的光子与电子元件，因此想要将所有元件集成到一个芯片中，是一项艰巨的挑战。

而最新研发出的QRNG完成了这项挑战，其体积十分小巧，芯片尺寸仅为15.6×18 mm。此外，该装置还结合了先进的光子集成芯片以及优化的实时后处理技术，并将之用于从真空态的量子熵源中提取随机性。

因为量子随机数的随机性源于量子物理学的内在不确定性，所以在这项新研究中，团队在芯片上使用了铟锗砷化光电二极管、集成在硅光子芯片上的跨阻抗放大器、以及多个耦合器和衰减器。结合了这些组件，使得QRNG 能够检测来自量子熵源的信号，并具有显著改善的频率响应。

值得一提的是，这些组合的器件一旦检测到随机信号，就会被现场可编程逻辑门阵列（FPGA）处理，并从原始数据中提取真正的随机数，最终让 QRNG 装置达成接近 19 Gbps 的量子随机数生成速率，然后通过光缆，将之发送到任意计算机上。

展望未来，研究团队希望打造出速度更快、体积更小的设备，为开发更加实用的 QRNG 提供可能。