[论文解读] High-speed Source-Device-Independent Quantum Random Number Generator on a Chip

Tommaso Bertapelle, Marco Avesani+12 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2023

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 4

一句话总结

该论文提出首个芯片集成、光源-器件无关的量子随机数生成器（QRNG），实现超过20 Gbps的安全生成速率。通过在4×4多模干涉（MMI）光子芯片上集成外差探测器，并结合托普利茨哈希提取器，该系统确保了高安全性、紧凑性、低功耗和抗干扰能力，使其非常适合于空间和便携式应用中的高速量子密钥分发。

ABSTRACT

A wide range of applications require, by hypothesis, to have access to a high-speed, private, and genuine random source. Quantum Random Number Generators (QRNGs) are currently the sole technology capable of producing true randomness. However, the bulkiness of current implementations significantly limits their adoption. In this work, we present a high-performance source-device independent QRNG leveraging a custom made integrated photonic chip. The proposed scheme exploits the properties of a heterodyne receiver to enhance security and integration to promote spatial footprint reduction while simplifying its implementation. This characteristics could represents a significant advancement toward the development of generators better suited to meet the demands of portable and space applications. The system can deliver secure random numbers at a rate greater than 20 Gbps with a reduced spatial and power footprint.

研究动机与目标

• 开发一种适用于实际部署的高速、紧凑且低功耗的量子随机数生成器（QRNG）。
• 通过实施光源-器件无关（SDI）协议，克服可信设备QRNG的局限性，降低对光源和探测器的可信假设。
• 将整个QRNG系统集成于单个光子集成电路（PIC）上，以最小化尺寸、功耗和环境敏感性。
• 在保持对空间和便携式应用的鲁棒性的同时，实现超过20 Gbps的安全随机数生成速率。
• 展示一种完全无源、稳定且可扩展的QRNG架构的可行性，无需主动相位控制或反馈回路。

提出的方法

• 采用外差检测方案，利用4×4多模干涉（MMI）耦合器测量弱相干光信号的正交分量幅度。
• 采用高速、低噪声的平衡接收机和快速模数转换器（ADC），在高带宽下对正交信号进行数字化。
• 应用2-通用托普利茨矩阵-向量乘法作为随机性提取器，从原始数据中提取均匀且安全的随机比特。
• 通过选择矩阵维度（n = 11008，m = 17600）并基于最小熵和ADC位宽，将安全参数设为ε ~ 10⁻¹⁷。
• 将本振（LO）功率设置为21.1496 mW，以最大化信噪比和纯度（0.883 ± 0.003），确保高质量的量子随机性。
• 通过依赖无源MMI干涉仪的固有稳定性，消除主动相位稳定化，从而降低功耗和复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成、芯片级QRNG能否在极低设备组件可信度下实现高速、安全的随机数生成？
• RQ2 与可信或器件无关方案相比，光源-器件无关QRNG在速度、占地面积和功耗效率方面的性能如何？
• RQ3 在高速外差QRNG中，无源光子集成（如使用MMI耦合器）在多大程度上可替代主动相位稳定？
• RQ4 在紧凑、低功耗且坚固的集成QRNG架构下，可实现的最大安全生成速率是多少？
• RQ5 此类系统在真实工作条件下能否保持高随机性质量，并通过严格的统计测试（如NIST测试）？

主要发现

• QRNG实现了20.015 Gbps的安全随机数生成速率，是迄今为止报道的半器件无关QRNG中最高的速率。
• 在本振功率最大（21.1496 mW）时，系统纯度达到0.883 ± 0.003，表明量子态制备质量高。
• 该设备在本振功率低于1 mW下仍能稳定运行，展现出卓越的能效和低功耗特性。
• 所有16项NIST统计测试均通过，p值范围为0.091至0.963，证实了提取随机比特的高质量和均匀性。
• QRNG完全无源，无主动反馈或相位控制，提升了可靠性、可扩展性，并增强了对恶劣环境的鲁棒性。
• 芯片化设计实现了紧凑性、低功耗和高鲁棒性，使其适用于重复率高于5 GHz的星载量子密钥分发。