[论文解读] Experimental study of quantum random number generator based on two independent lasers

Shi‐Hai Sun, Feihu Xu|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 5, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于两台独立激光器连续波（CW）或脉冲模式下相位噪声的高速、低成本量子随机数生成器（QRNG）。通过利用激光间的干涉效应并严格量化经典噪声，作者展示了三种配置——CW+CW、CW+脉冲和脉冲+脉冲——实现了最高达20 Gbps的随机数生成速率，并通过最小熵估计验证了其真正的量子随机性。

ABSTRACT

Quantum random number generator (QRNG) can produce true randomness by utilizing the inherent probabilistic nature of quantum mechanics. Recently, the spontaneous-emission quantum phase noise of the laser has been widely deployed for QRNG, due to its high rate, low cost and the feasibility of chip-scale integration. Here, we perform a comprehensive experimental study of phase-noise based QRNG with two independent lasers, each of which operates in either continuous-wave (CW) or pulsed mode. We implement QRNGs by operating the two lasers in three configurations, namely CW+CW, CW+pulsed and pulsed+pulsed, and demonstrate their tradeoffs, strengths and weaknesses.

研究动机与目标

• 开发一种利用两台独立激光器固有量子相位噪声的实用化、高速、低成本QRNG。
• 通过采用独立激光干涉技术，克服传统基于迈克尔逊干涉仪的QRNG在相位不稳定性和体积庞大方面的局限性。
• 全面评估并比较三种工作模式：CW+CW、CW+脉冲和脉冲+脉冲。
• 严格量化经典噪声（电噪声与强度波动）并估计条件最小熵，以确保真正的量子随机性。
• 通过避免复杂的干涉稳定系统，实现芯片级集成的潜力。

提出的方法

• 两台独立的分布式反馈（DFB）激光器通过各自的温控系统稳定，以最小化光谱失配。
• 在50:50分束器处实现干涉，所得光信号由带宽为1 GHz的光电探测器检测。
• 光电探测器输出经交流耦合后，使用高速示波器以最高20 GHz的采样率进行采样，完成8位模数转换。
• 量子信号建模为 V(t) ∝ E₁E₂cos[Δω₀t + θ₁(t) − θ₂(t)]，其中相位波动θⱼ(t)源于自发辐射。
• 实验测量并以99.9999%的置信度界定了经典噪声源（电噪声、强度波动及干涉仪相位漂移）。
• 在均匀分布假设下估计条件最小熵，考虑总经典噪声边界（±6.21 mV 至 ±6.24 mV）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CW+CW、CW+脉冲和脉冲+脉冲三种配置下，使用两台独立激光器的QRNG在性能权衡与实际限制方面有何表现？
• RQ2 如何通过实验手段界定并抑制来自电学元件与激光强度波动的经典噪声，以保持真正的量子随机性？
• RQ3 在长比特串生成过程中，缺乏干涉仪相位稳定是否显著影响随机性质量？
• RQ4 在不依赖主动相位锁定的情况下，利用独立激光器可实现的最高随机数生成速率是多少？
• RQ5 在严格量化经典噪声的前提下，三种配置下生成比特串的最小熵如何比较？

主要发现

• CW+CW配置实现了最高10 Gbps的随机数生成速率，拍频信号频率为278.7 MHz，标准偏差为30.2 MHz。
• 脉冲+脉冲配置支持最高20 GHz的采样率，实现了本实验设置下报道的最高生成速率20 Gbps。
• 经典电噪声边界为±2.29 mV，LD1与LD2的强度噪声边界分别为±1.88 mV与±2.07 mV，总经典噪声边界为±6.24 mV。
• 提取比特串的自相关函数在任意时延下均无显著相关性，所有p值均超过显著性水平α = 0.01，证实其统计随机性。
• 条件最小熵估计表明，在考虑经典噪声后，真正的量子随机性得以保留，验证了输出的安全性。
• 研究表明，干涉仪相位漂移对短至中等长度比特串的影响可忽略不计，相邻采样间相位变化估计为~2π×10⁻¹⁰至~2π×10⁻¹¹弧度。