[论文解读] A Comprehensive Review of Quantum Random Number Generators: Concepts, Classification and the Origin of Randomness

Vaisakh Mannalath, Sandeep Mishra+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 209被引用 8

一句话总结

本综述全面分析了量子随机数生成器（QRNGs），根据物理原理和技术实现对其进行分类，追溯了随机性的根源至基础量子公理，如不相容性、依赖性、纠缠、非定域性和不可区分性。研究确立了不同类型的QRNG依赖于不同的量子非经典性层次，提供了经典系统无法实现的装置无关或半装置无关的安全性。

ABSTRACT

Random numbers are central to cryptography and various other tasks. The intrinsic probabilistic nature of quantum mechanics has allowed us to construct a large number of quantum random number generators (QRNGs) that are distinct from the traditional true number generators. This article provides a review of the existing QRNGs with a focus on their various possible features (e.g., device independence, semi-device independence) that are not achievable in the classical world. It also discusses the origin, applicability, and other facets of randomness. Specifically, the origin of randomness is explored from the perspective of a set of hierarchical axioms for quantum mechanics, implying that succeeding axioms can be regarded as a superstructure constructed on top of a structure built by the preceding axioms. The axioms considered are: (Q1) incompatibility and uncertainty; (Q2) contextuality; (Q3) entanglement; (Q4) nonlocality and (Q5) indistinguishability of identical particles. Relevant toy generalized probability theories (GPTs) are introduced, and it is shown that the origin of random numbers in different types of QRNGs known today are associated with different layers of nonclassical theories and all of them do not require all the features of quantum mechanics. Further, classification of the available QRNGs has been done and the technological challenges associated with each class are critically analyzed. Commercially available QRNGs are also compared.

研究动机与目标

• 基于物理原理和技术实现，系统性地对现有量子随机数生成器（QRNGs）进行分类。
• 通过从不相容性到粒子不可区分性的量子力学公理层级，探究QRNG中随机性的根源。
• 评估不同QRNG架构在装置独立性和认证方面的可行性与安全权衡。
• 比较市售QRNG在速度、接口和符合国际随机性标准方面的表现。
• 提供一个基于应用需求（如速度、便携性和安全级别）选择最优QRNG的框架。

提出的方法

• 根据物理机制将QRNG分类：光子型（单光子、真空噪声、放大的自发辐射ASE）、原子型（自旋噪声）和电子型（散粒噪声、放射性衰变）。
• 通过五个层级的量子公理分析随机性根源：（Q1）不相容性与不确定性，（Q2）依赖性，（Q3）纠缠，（Q4）非定域性，（Q5）相同粒子的不可区分性。
• 使用简化的一般概率理论（GPTs）表明，不同类型的QRNG依赖于不同的非经典性层次，无需依赖所有量子特性。
• 评估装置无关和半装置无关的协议在随机性认证中的应用，强调对敌对模型的抗性。
• 使用标准化基准比较市售QRNG：NIST SP800-22、DieHarder、TESTU01、BSI AIS 31和METAS/CTL认证。
• 综述技术挑战，包括速度限制、探测器效率和环境噪声，尤其在光子型和原子型系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同QRNG架构中随机性的基本量子原理是什么？
• RQ2 五个层级的量子公理（Q1–Q5）如何共同促进QRNG中真正随机性的生成？
• RQ3 QRNG在多大程度上可实现装置无关或半装置无关的安全性？其性能权衡如何？
• RQ4 哪些物理实现方式（如光子型、原子型、电子型）在速度、可靠性和认证方面实现了最佳平衡，适合实际部署？
• RQ5 市售QRNG在比特率、接口和符合国际随机性测试标准方面有何差异？

主要发现

• 基于光学系统中真空噪声或放大的自发辐射（ASE）的QRNG可实现最高比特率，市售产品最高可达2 Gbps。
• 装置无关QRNG提供最强的安全保证，但因需要贝尔不等式破缺和纠缠态验证，生成速率受限。
• QRNG中随机性的根源并非单一；不同类型依赖于不同的量子特性——例如，散粒噪声QRNG依赖不确定性（Q1），某些光子方案依赖依赖性（Q2），装置无关协议依赖非定域性（Q4）。
• 市售QRNG性能差异显著：IDQ的Quantis-PCIe-240M达到240 Mbps，Quside的PCLe One达到2 Gbps，Quitessence的qStream 100通过以太网提供1 Gbps。
• 认证合规性各异：部分设备符合NIST SP800-22/90B、BSI AIS 31或METAS标准，表明其在密码学应用中具有高度可信度。
• Microchip和USB接口的QRNG具有高便携性和易用性，适合非专业用户；而PCIe和以太网接口更适合高吞吐量应用。