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我系潘建伟院士、张军教授等实现迄今最快的实时量子随机数发生器

发稿时间:2020-07-05浏览次数:152

   近日,我(wo)系教(jiao)授潘建伟、张军等(deng)联合浙江大学储涛教(jiao)授研究组,通过研制(zhi)硅基光(guang)子(zi)(zi)集(ji)成芯片和(he)优化(hua)实时后处(chu)理(li),实现(xian)了(le)速率达18.8 Gbps迄(qi)今最快(kuai)的(de)实时量子(zi)(zi)随机数(shu)(shu)发(fa)(fa)生器(qi),相(xiang)关研究成果(guo)以“封面论文”的(de)形式发(fa)(fa)表于《应(ying)用物(wu)理(li)快(kuai)报》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美国(guo)物(wu)理(li)联合会(AIP)以“量子(zi)(zi)随机数(shu)(shu)发(fa)(fa)生器(qi)实现(xian)尺(chi)寸和(he)性能新基准(Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance)”为题刊(kan)发(fa)(fa)新闻稿(gao)对该(gai)工作进(jin)行(xing)(xing)了(le)报道(dao),SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等(deng)多家(jia)科技(ji)媒体(ti)也(ye)进(jin)行(xing)(xing)了(le)相(xiang)关转载(zai)报道(dao)。

期刊封面

   随机数是一种重要的基础资源,在信息安全、密码学、科学仿真、博彩业等众多领域以及日常生产生活中都有着广泛的应用需求。与伪随机数发生器和其他物理随机数发生器不同,量子随机数发生器是基于量子物理原理产生真随机数的系统,具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征,是量子通信系统中的关键核心器件。长期以来,潘建伟、张军等在实用化量子随机数发生器方向开展了系统性研究并取得了重要成果。例如,2014年首次提出基于外部时钟参考的单光子到达时间测量方案,实现速率达100 Mbps的量子随机数发生器;2015年实现了基于激光相位波动的高速量子随机数产生方案;2016年研制了实时速率达3.2 Gbps的量子随机数发生器。

   对(dui)于实用化量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)发(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)(qi),实时(shi)生(sheng)成(cheng)(cheng)速率和集成(cheng)(cheng)度是核心指标。然而,上述量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)产(chan)生(sheng)方(fang)案难以(yi)实现(xian)高度集成(cheng)(cheng)。为此(ci),潘(pan)建伟、张军等进一步(bu)(bu)发(fa)(fa)展了基(ji)于真空态涨落(luo)的(de)高速量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)产(chan)生(sheng)方(fang)案并(bing)完成(cheng)(cheng)相关实验验证,同(tong)时(shi)与浙江大学(xue)储涛等合作,针(zhen)对(dui)该方(fang)案通过多次迭代制备了相应的(de)硅光芯片(pian)(pian),并(bing)采用混合集成(cheng)(cheng)技术将(jiang)硅光芯片(pian)(pian)、InGaAs平衡(heng)探测器(qi)(qi)(qi)以(yi)及跨阻放大器(qi)(qi)(qi)(TIA)封(feng)装在尺寸为15.6mm×18mm的(de)芯片(pian)(pian)内。与此(ci)同(tong)时(shi),通过进一步(bu)(bu)优化FPGA实时(shi)后处理算法和硬件实现(xian),从而在实现(xian)高集成(cheng)(cheng)度的(de)同(tong)时(shi)大大提升了量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)发(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)(qi)的(de)实时(shi)生(sheng)成(cheng)(cheng)速率。经(jing)传输(shu)测试,该量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)发(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)(qi)系统(tong)的(de)最终(zhong)实时(shi)速率达到创世(shi)界(jie)纪录的(de)18.8Gbps。上述研(yan)究成(cheng)(cheng)果为开发(fa)(fa)低(di)成(cheng)(cheng)本商(shang)用量子随(sui)(sui)机(ji)(ji)数(shu)(shu)发(fa)(fa)生(sheng)器(qi)(qi)(qi)单芯片(pian)(pian)奠定了坚实的(de)技术基(ji)础。

实时(shi)量(liang)子随机数系(xi)统原理示意(yi)图

   该研究工作得到了科技部、中科院、自然科学基金委和安徽省等的资助,同时得到了科大国盾量子和中国电科四十四所的技术协助。

    论(lun)文链接:

    AIP报道(dao)链接(jie):


(合(he)肥微(wei)尺度(du)物质科(ke)(ke)学国家研(yan)(yan)究中心、中科(ke)(ke)院(yuan)量子(zi)(zi)信息与量子(zi)(zi)科(ke)(ke)技(ji)创新(xin)研(yan)(yan)究院(yuan)、科(ke)(ke)研(yan)(yan)部)

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陈情令
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