[论文解读] Device-independent quantum random number generator with a photon pair source

Valentina Caprara Vivoli, Pavel Sekatski+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 2

一句话总结

本文提出一种基于自发参量下转换（SPDC）的光子对源的设备无关量子随机数生成器，利用后选择单光子态与路径纠缠结合位移操作，实现高贝尔-CHSH非局域性。结果表明，尽管需要更高的探测效率，该方法在每轮实验中产生的熵和随机比特生成速率显著高于传统的偏振纠缠光子对方案，这是由于对实验非理想性的非微扰建模得到优化。

ABSTRACT

What is the most efficient way to generate random numbers deviceindependently using a photon pair source based on spontaneous parametric down conversion (SPDC)? We consider this question by comparing two implementations of a detection-loophole-free Bell test. In particular, we study in detail a scenario where a heralded single photon source (HSPS) is used to herald path-entangled states, i.e. entanglement between two spatial modes sharing a single photon and where nonlocality is revealed using photon counting preceded by small displacement operations. ar X iv :1 40 9. 80 51 v1 [ qu an tph ] 2 9 Se p 20 14 Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 2 We start by giving a theoretical description of such a measurement. We then show how to optimize the Bell-CHSH violation through a non-perturbative calculation, taking the main experimental imperfections into account. We finally bound the amount of randomness that can be extracted and compare it to the one obtained with the conventional scenario using photon pairs entangled e.g. in polarization and analyzed through photon counting. While the former requires higher overall detection efficiencies, it is far more efficient in terms of both the entropy per experimental run and the rate of random bit generation. PACS numbers: 03.65.Ud Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 3

研究动机与目标

• 开发一种设备无关量子随机数生成器（QRNG），在无需信任测量设备的前提下确保随机性安全性。
• 比较基于光子对源的两种贝尔测试实现方式的效率：一种基于路径纠缠单光子与位移操作，另一种基于传统偏振纠缠态。
• 通过非微扰建模实验非理想性（如探测器效率不足和态制备误差）来优化贝尔-CHSH非局域性。
• 量化并比较两种方案在每轮实验中的随机数生成速率与最小熵。
• 证明路径纠缠单光子方案虽需更高探测效率，但具备更优的随机性效率。

提出的方法

• 该方法采用后选择单光子源（HSPS）生成路径纠缠态，其中单光子在两个空间模式间处于叠加态。
• 通过在空间模式上施加小位移操作后进行光子计数，揭示非局域性，从而实现无探测漏洞的贝尔-CHSH测试。
• 建立非微扰理论框架，以建模和优化在真实非理想条件下（包括探测器效率和暗计数）的贝尔-CHSH非局域性。
• 基于观测到的贝尔非局域性与探测效率，计算每轮实验的随机数生成速率与最小熵。
• 将该方法与通过标准光子计数分析的传统偏振纠缠光子对方案进行定量比较。
• 基于设备无关安全准则推导可提取随机性的理论界限，确保随机性在无需信任设备的前提下被认证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于SPDC的光子对源高效实现设备无关QRNG？
• RQ2 路径纠缠单光子方案的随机数生成效率与传统偏振纠缠方案相比如何？
• RQ3 在路径纠缠设置中，现实实验非理想性（如探测器效率不足）下，贝尔-CHSH非局域性可被优化到何种程度？
• RQ4 路径纠缠方案为在每轮实验中实现更高随机性而需达到的最低探测效率是多少？
• RQ5 尽管对探测效率要求更高，使用位移操作与后选择单光子是否仍能提升熵与比特生成速率？

主要发现

• 路径纠缠单光子方案在每轮实验中产生的熵显著高于传统偏振纠缠方案，尽管其整体探测效率要求更高。
• 所提方法通过在后选择路径纠缠态上实施基于位移的测量，实现无探测漏洞的贝尔测试，确保设备无关的随机性认证。
• 对实验非理想性的非微扰建模显著提升了预测的贝尔-CHSH非局域性，从而支持更高随机性提取。
• 尽管探测效率要求更高，路径纠缠方案在随机比特生成速率方面仍优于偏振基方案，归因于更强的关联性与更低的噪声。
• 理论分析基于观测到的贝尔非局域性界定了可提取随机性的上限，证实了设备无关的安全性与效率优势。
• 结果表明，路径纠缠单光子源作为设备无关QRNG的实现平台，相比传统偏振纠缠源更具效率。