一种高速量子随机数生成器

郝鹏磊 合肥量芯科技有限公司

真随机数发生器的安全性依靠的是熵源的不可预测性，所以它往往是选用某些随机的物理现象作为熵源，例如振荡器中的相位抖动、电阻中的热噪声、放射性衰变、电路混沌现象以及生物的一些无规则现象等。这些物理现象都是人为不可控的，无法预测，也没有规律，因此以它们作为熵源所产生的随机数序列也就没有规律可循，难以重现，即便截取了其中的某一段，也无法预测下一段随机数序列，能够满足随机数的性能要求。

表1.常见真随机数产生方案

表1 描述的真随机数产生方案从原理上定性分析，可以得到其输出是真随机数的结论，但是从定量分析的角度，想要证明上述过程是真随机的，有大量的数学工作还需要进行。传统以物理噪声源为基础的随机数生成速率以Mbps 为极限，随着近年来量子计算、量子通信等量子信息技术的快速发展，量子随机数发生器的研究也取得显著进步，各种不同的新方案相继被提出，随机数生成速率较物理噪声源随机数也大幅提高，量子随机数发生器目前产生速率已至Gbps。最后，由于光子的量子效应显著，相对于电子等带电粒子抗干扰能力强，并对人体没有辐射危害，加之激光技术的成熟和光学器件的丰富，从光学系统中提取随机数是近年高速随机数发生器的发展趋势，目前市场上已经出现了少量基于光学方案的商用量子随机数发生器。

1 基于激光相位涨落的量子随机数发生器简介

量子随机数发生器一般可分为单次探测和连续探测两类方案，这两类方案都比较容易实现，但是单次探测方案中由于探测器有死时间，所以随机数的发生速率较连续探测方案要低很多。激光的自发辐射就是一种基于连续探测的量子随机数发生器的方案，每个自发辐射的光子具有独立的状态，且相位是完全随机的，所以具有真随机性。自发辐射会引起激光相位的随机涨落，并呈现出噪声的形式，因此激光相位涨落也被称为量子相位噪声。如果能够把激光随机涨落的相位信息提取出来，就能够产生量子随机数。激光随机涨落的相位可以通过干涉环转换为光强信息，然后通过光电探测二极管（PIN 管）转变成一个可被探测的电流物理量，然后通过电流转电压的电路将激光相位涨落转换为电压信号，最后使用高速模拟数字转换器采集涨落的电压就可以得到原始的量子随机数，这种方案被称为基于相位涨落量子随机数发生器。此方案由于可以使用响应速度很高的光电探测器探测，而不受单光子探测器饱和计数率的限制，从而大幅度提高原始随机数的产生速度。正是因为这种显著优势，全球很多研究小组对基于激光相位涨落的量子随机数发生方案开展了研究，其中的一项验证性工作中量子随机数的生成速度达到68 Gbps。

2 激光相位波动中提取量子随机数的理论模型

下面将建立一个简单的理论模型来说明来源于自发辐射的激光相位涨落通过干涉环转化为可测量的过程。

对于一个理想的单模DFB 激光器，其电场可如下描述：

因为经过干涉环后光强转换为电信号后的直流部分不包含随机信息，所以在系统电路中会使用电容将其去除，只留下关心的交流部分，此时光电探测器输出的电流为：

从上式可以看出光电探测器输出的电流正比于激光器输出光的相位涨落，再经过采集电路，从而获得量子随机数。

3 基于激光相位涨落的量子随机数发生器总体方案

基于激光相位涨落的量子随机数发生方案中激光需要通过干涉环将不可直接测量的相位涨落转换为可直接测量的光强涨落，再通过高速光电探测器转换为随机涨落的电信号，最后使用高速模拟数字转换器采集转换为量子随机数。由此思路，设计的基于激光相位波动的高速量子随机数发生器总体方案如图所示：一个可控电流源驱动DFB 激光二极管发出连续激光作为量子随机信号源，激光进入干涉环，相位的随机涨落被转换为光强的随机涨落，然后被一个高速光电探测器探测并转换为电信号，最终被高速模拟数字转换器(ADC)转换为高速原始随机数，原始随机数经过后处理，最后产生符合真随机数特征的高速量子随机数。

4 结束语

本文对随机数的种类和优缺点做了简要说明，并详细阐述了一种基于量子特性的随机数发生器理论模型以及实现方案。随着科研及工业领域的对随机数速度和安全性的要求逐渐提高，全球范围内对量子随机数的研究会越来越热，而且韩国SK 电信从2019 年3 月开始在5G 用户认证服务器上使用了IDQ 的量子随机数生成器，这标志着高速的量子随机数已经开始商业化的应用。但是量子随机数还有一些有待解决的问题，首先是高速的数据采集和处理对电子学器件性能要求非常高；再次，高速的数据采集和处理的器件本身也非常昂贵，制约了量子随机数的大规模应用；最后，由于量子随机数发生器由多种光学和电子学器件构成，所以体积上也比传统随机数发生器大很多。针对上述问题，未来如果量子随机数要大规模使用，必然会走上光电集成之路。