[论文解读] Quantum random number generator based on quantum tunneling effect

Haihan Zhou, Junlin Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 2被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于InGaAs/InP雪崩二极管中电子量子隧穿内在随机性的无光子源量子随机数生成器（QRNG）。通过施加周期性电压脉冲触发隧穿事件，系统以8 Mb/s的速率生成随机比特，经NIST和Diehard测试验证为真正随机，为实际QRNG应用提供了一种低成本、可集成且芯片兼容的解决方案。

ABSTRACT

In this paper, we proposed an experimental implementation of quantum random number generator(QRNG) with inherent randomness of quantum tunneling effect of electrons. We exploited InGaAs/InP diodes, whose valance band and conduction band shared a quasi-constant energy barrier. We applied a bias voltage on the InGaAs/InP avalanche diode, which made the diode works under Geiger mode, and triggered the tunneling events with a periodic pulse. Finally, after data collection and post-processing, our quantum random number generation rate reached 8Mb/s, and final data was verified by NIST test and Diehard test. Our experiment is characterized as an innovative low-cost, photonic source free, integratable or even chip-achievable method in quantum random number generation.

研究动机与目标

• 基于量子隧穿的根本不确定性，开发一种真正随机数生成器，避免依赖光子源。
• 通过利用标准半导体二极管中的电子隧穿，解决现有QRNG的局限性，如高成本、集成性差和环境敏感性。
• 展示一种适用于芯片级实现的实用、低成本且可集成的QRNG架构，采用广泛可用的InGaAs/InP雪崩二极管。
• 通过严格的统计测试（NIST和Diehard）以及Toeplitz哈希提取器后处理，验证生成序列的随机性。

提出的方法

• QRNG协议利用InGaAs/InP雪崩二极管在周期性高压脉冲作用下，电子穿越势垒的固有量子隧穿概率。
• 电子隧穿事件被检测为电信号：‘1’表示在脉冲周期内发生了隧穿，‘0’表示未发生隧穿。
• 每脉冲的隧穿概率由峰值电压 $U_H$ 决定，确保内在的量子随机性，与经典噪声无关。
• 原始比特序列通过基于FPGA的数据采集系统收集，并使用Toeplitz哈希提取器进行后处理，以提升随机性质量。
• 系统在盖革模式下运行，配备稳定、高频的触发脉冲发生器，以最大化生成速率。
• 通过将二极管密封于屏蔽盒中，排除环境光子影响，确保检测信号完全源自隧穿，而非光学串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准InGaAs/InP雪崩二极管中的电子量子隧穿能否作为可靠内在量子随机性来源，而无需依赖光子源或单光子源？
• RQ2 该隧穿方法可实现的随机比特生成速率是多少？是否可通过改进硬件实现超过8 Mb/s的扩展？
• RQ3 生成的随机序列的统计质量与NIST和Diehard测试等既定基准相比如何？
• RQ4 该QRNG在紧凑、芯片级系统中的集成程度如何？与现有光子基QRNG相比，在鲁棒性和成本方面表现如何？
• RQ5 如Toeplitz哈希等后处理技术能否有效从原始隧穿信号中提取高质量随机性？

主要发现

• 该QRNG使用标准InGaAs/InP雪崩二极管实现了8.3 Mb/s的原始生成速率，通过提高触发脉冲频率，有望扩展至20 Mb/s。
• 最终生成的随机比特序列通过了全部NIST统计测试套件（STS）和Diehard测试套件，p值范围为0.014至0.986，所有16项NIST测试和17项Diehard测试均获得成功评估。
• 自相关性分析表明，后处理后相关性显著降低，表明有效消除了偏差和时间相关性。
• 该系统为无光子源设计，完全依赖电子隧穿，相比光子基QRNG，其稳定性和环境抗干扰能力更强。
• 采用市售二极管和基于FPGA的数据采集，实现了低成本、可扩展且可集成的实现，适用于芯片级部署。
• 该方法与以往利用InGaAs/InP二极管暗计数的研究根本不同，其核心物理机制是隧穿本身，而非作为噪声伪影。