易烊千玺

中国科大实现迄今最快的实时量子随机数发生器

发布时间:2020-07-02     来源于:上海研究院

近日(ri),中国(guo)科大(da)教授潘建伟、张军等(deng)联(lian)合浙江大(da)学储涛(tao)教授研(yan)究组,通过研(yan)制硅基光子集成(cheng)芯(xin)片和优(you)化实(shi)(shi)时后处理,实(shi)(shi)现了速率达18.8 Gbps迄(qi)今最快的实(shi)(shi)时量子随机数发(fa)生(sheng)器,相(xiang)关研(yan)究成(cheng)果以(yi)“封面(mian)论文(wen)”的形(xing)式发(fa)表于《应用物理快报(bao)》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美国(guo)物理联(lian)合会(AIP)以(yi)“量子随机数发(fa)生(sheng)器实(shi)(shi)现尺寸和性能(neng)新基准(zhun)(Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance)”为题刊发(fa)新闻(wen)稿(gao)对该工作进行了报(bao)道,SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等(deng)多家科技媒体也进行了相(xiang)关转载(zai)报(bao)道。

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                                                                                        期(qi)刊封面(mian)

随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)是(shi)一种重要(yao)的(de)基础资源,在信息安全、密码学(xue)、科(ke)学(xue)仿真(zhen)、博彩业等(deng)众多领域以及日(ri)常生(sheng)产生(sheng)活中(zhong)都有(you)着广泛的(de)应用需求。与伪随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi)和其他物理随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi)不(bu)(bu)同,量(liang)子(zi)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi)是(shi)基于量(liang)子(zi)物理原(yuan)理产生(sheng)真(zhen)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)的(de)系(xi)统(tong),具有(you)不(bu)(bu)可预(yu)测(ce)(ce)性(xing)(xing)、不(bu)(bu)可重复性(xing)(xing)和无(wu)偏性(xing)(xing)等(deng)特征,是(shi)量(liang)子(zi)通信系(xi)统(tong)中(zhong)的(de)关(guan)键核心器(qi)件(jian)。长期以来,潘建伟、张军(jun)等(deng)在实(shi)用化量(liang)子(zi)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi)方向(xiang)开展了(le)(le)系(xi)统(tong)性(xing)(xing)研(yan)究并取得了(le)(le)重要(yao)成果。例如,2014年(nian)首次提出基于外部(bu)时(shi)(shi)钟参考的(de)单光子(zi)到达时(shi)(shi)间测(ce)(ce)量(liang)方案,实(shi)现速率达100 Mbps的(de)量(liang)子(zi)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi);2015年(nian)实(shi)现了(le)(le)基于激光相位(wei)波(bo)动的(de)高(gao)速量(liang)子(zi)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)产生(sheng)方案;2016年(nian)研(yan)制了(le)(le)实(shi)时(shi)(shi)速率达3.2 Gbps的(de)量(liang)子(zi)随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)(shu)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)器(qi)。

对(dui)于(yu)实(shi)(shi)(shi)(shi)用(yong)化量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)发(fa)生(sheng)器(qi)(qi),实(shi)(shi)(shi)(shi)时(shi)(shi)生(sheng)成速(su)率(lv)和集成度是核心指(zhi)标。然而,上述(shu)量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)产(chan)生(sheng)方案(an)难以(yi)实(shi)(shi)(shi)(shi)现(xian)高度集成。为(wei)此,潘建伟、张军(jun)等进(jin)一步(bu)(bu)发(fa)展(zhan)了(le)基于(yu)真空态(tai)涨(zhang)落的高速(su)量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)产(chan)生(sheng)方案(an)并完(wan)成相关(guan)实(shi)(shi)(shi)(shi)验验证(zheng),同时(shi)(shi)与浙江大(da)(da)学储涛等合(he)作,针(zhen)对(dui)该(gai)方案(an)通过多次迭(die)代制(zhi)备了(le)相应的硅(gui)光芯片(pian),并采用(yong)混合(he)集成技术将硅(gui)光芯片(pian)、InGaAs平衡(heng)探测器(qi)(qi)以(yi)及跨阻放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(TIA)封装在(zai)尺寸为(wei)15.6mm×18mm的芯片(pian)内。与此同时(shi)(shi),通过进(jin)一步(bu)(bu)优化FPGA实(shi)(shi)(shi)(shi)时(shi)(shi)后处理算法和硬件(jian)实(shi)(shi)(shi)(shi)现(xian),从(cong)而在(zai)实(shi)(shi)(shi)(shi)现(xian)高集成度的同时(shi)(shi)大(da)(da)大(da)(da)提升了(le)量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)发(fa)生(sheng)器(qi)(qi)的实(shi)(shi)(shi)(shi)时(shi)(shi)生(sheng)成速(su)率(lv)。经传输测试,该(gai)量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)发(fa)生(sheng)器(qi)(qi)系统的最终实(shi)(shi)(shi)(shi)时(shi)(shi)速(su)率(lv)达到创(chuang)世界纪录的18.8Gbps。上述(shu)研究成果为(wei)开(kai)发(fa)低(di)成本商用(yong)量(liang)子(zi)随(sui)机数(shu)发(fa)生(sheng)器(qi)(qi)单芯片(pian)奠(dian)定了(le)坚实(shi)(shi)(shi)(shi)的技术基础。

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                                                                           实时量子随(sui)机(ji)数系(xi)统(tong)原(yuan)理示意(yi)图

该研(yan)究工作得到了(le)(le)科(ke)技(ji)部、中科(ke)院、自(zi)然(ran)科(ke)学基金(jin)委和(he)安(an)徽省(sheng)等的(de)资助,同(tong)时得到了(le)(le)科(ke)大国(guo)盾量子和(he)中国(guo)电科(ke)四十四所(suo)的(de)技(ji)术协助。

论(lun)文链(lian)接:

AIP报(bao)道(dao)链接:

 

(合肥微尺度物质科学(xue)国家研(yan)(yan)究(jiu)中心、中科院量子(zi)信息与量子(zi)科技创新研(yan)(yan)究(jiu)院、科研(yan)(yan)部)


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