[论文解读] Experimental demonstration of a high speed quantum random number generation scheme based on measuring phase noise of a single mode laser

Bing Qi, Yue-Meng Chi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2009

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于测量单模半导体激光器在阈值附近运行时的量子相位噪声的高速量子随机数生成器（QRNG）。通过采用具有主动相位稳定功能的延迟自外差干涉仪，该方案实现了500 Mbit/s的生成速率，产生的随机数通过了所有DIEHARD测试，证明其为一种实用且高速的、经证实具有量子随机性的随机数源。

ABSTRACT

We present a high speed random number generation scheme based on measuring the quantum phase noise of a single mode diode laser operating at a low intensity level near the lasing threshold. A delayed self-heterodyning system has been developed to measure the random phase fluctuation.By actively stabilizing the phase of the fiber interferometer, a random number generation rate of 500Mbit/s has been demonstrated and the generated random numbers have passed all the DIEHARD tests.

研究动机与目标

• 开发一种基于基本量子过程而非经典混沌或伪随机算法的高速、物理安全随机数生成器。
• 证明在阈值附近运行的单模激光器的量子相位噪声可作为高熵、低经典噪声干扰的真正随机性来源。
• 实现超过现有量子随机数生成器的随机数生成速率，尤其适用于高速量子密钥分发（QKD）等应用。
• 通过标准统计测试（DIEHARD）验证输出的随机性，并确保其在密码系统中的实际可用性。

提出的方法

• 将单模半导体激光器在低功率下运行于阈值附近，以将量子相位噪声与自发辐射分离，使其成为主导噪声源。
• 采用延迟自外差干涉仪，通过将信号与自身的时间延迟副本混合，测量激光输出的随机相位波动。
• 对光纤干涉仪实施主动相位稳定，以抑制环境漂移并提高测量稳定性。
• 使用高速示波器实时数字化平衡光电探测器的输出电信号，以提取随机比特。
• 对数字化信号应用按位异或（XOR）操作，以改善随机性并减少残留相关性。
• 对系统进行校准，确保主导噪声源为量子起源，最大限度减少经典噪声贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将单模激光器在阈值附近的量子相位噪声作为高速真正随机性的来源？
• RQ2 对干涉仪实施主动相位稳定在多大程度上提升了随机数输出的稳定性和质量？
• RQ3 该方案能否在通过严格统计随机性测试的同时，实现超过500 Mbit/s的随机数生成速率？
• RQ4 与经典噪声源相比，量子起源的相位噪声在熵和可预测性方面有何差异？
• RQ5 是否可行使用常规光学组件实现高速QRNG，而无需采用散粒噪声受限的探测器或单光子计数？

主要发现

• 该方案成功实现了500 Mbit/s的随机数生成速率，显著高于大多数基于单光子探测的现有量子随机数生成器。
• 生成的随机比特流通过了所有DIEHARD统计随机性测试，证实了输出的高质量。
• 相位噪声的主要来源被确定为量子起源——即自发辐射，这是由于在阈值附近运行，从而最大限度减少了经典混沌贡献。
• 对干涉仪实施主动相位稳定在抑制环境漂移和实现稳定高速运行方面起到了关键作用。
• 该方法无需使用单光子探测器或散粒噪声受限的同频外差探测，因此在使用标准组件时更具实用性和可实现性。
• 采用平衡探测器和XOR后处理有效降低了残留相关性，提升了最终输出的随机性。