[论文解读] Semi-Device-Independent Quantum Random Number Generator Resistant to General Attacks

Zhenguo Lu, Jundong Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2026

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 0

一句话总结

论文提出并通过实验演示了一种半设备无关的量子随机数生成器（QRNG），在有限样本效应下对一般（非独立同分布）攻击具有容忍性，采用带有同相检测的三输入连续变量方案，在5.3×10^9轮次下实现净随机数生成速率为1.165 Mbps。

ABSTRACT

Quantum random number generators (QRNGs) produce true random numbers based on the inherent randomness of quantum theory, rendering them a foundational segment of quantum cryptography. Distinguished from trusted-device QRNGs whose security depends on characterized devices, semi-device-independent (semi-DI) QRNGs permit partial devices to be defective or even maliciously manipulated, which achieves a good trade-off between generation rate and security. In this paper, we propose a semi-DI QRNG that resists general attacks while accounting for finite-size effects. The protocol requires no rigorous characterization of the source and measurement devices other than limiting the energy of the emitted states, significantly reducing the demands on practical QRNG systems. Leveraging the tight Kato inequality for correlated variables, we show that our protocol generates more randomness than it consumes. Furthermore, we demonstrate the scheme on a continuous-variable system with ternary inputs of states. Heterodyne detection is employed to enable phase compensation through data postprocessing, alleviating the stringent requirement on system stability. The system operates at 100 MHz, achieving a net random number generation rate of 1.165 Mbps at 5.3x10^9 rounds. Our work offers a promising approach to achieve both the robust security and high generation rate with a simple experimental setup.

研究动机与目标

• 开发一个能够抵抗一般攻击并考虑有限样本效应的半-DI QRNG。
• 通过仅对发射状态的能量边界进行约束，放宽器件表征要求。
• 以简单、实用的实验设置实现高随机性产生速率。
• 验证该协议能够产生的随机性超过其消耗的随机性（随机性扩展）。

提出的方法

• 使用一个三输入、多输出的半-DI QRNG，其不可信的测量设备被视为一个黑盒，且对态的能量重叠进行约束。
• 通过基于 SDP 的安全性分析对一般攻击进行建模，考虑相关测量和有限样本效应，使用 Kato 不等式。
• 在带有同相探测的连续变量系统中实现，并使用三输入三态，借助数据后处理实现相位补偿。
• 通过最坏情形的 Eve 猜测概率 Pg 计算最小自信息量 Hmin，并利用强提取器提取随机性。
• 在 N 轮内证明安全性与性能，给出生成轮概率和测试轮概率 pt，以及渐近与有限大小极限的分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限样本效应下，面对一般（非独立同分布）攻击时，Semi-DI QRNG 可以认证多少私有随机性？
• RQ2 在没有完整态特征表征的情况下，对能量边界态约束对随机性产生的影响是怎样的？
• RQ3 带有连续变量、同相探测实现是否能够实现具有实际吞吐量的安全随机性扩展？
• RQ4 相位漂移与有限样本统计如何改变净随机性速率和所需的随机性开销？

主要发现

• 该协议给出考虑随机性消耗后的净随机性生成速率，实验上净速率为每轮 0.01165 比特。
• 在 100 MHz 工作的实验中，安全净随机性生成速率达到 1.165 Mbps，来自 5.3×10^9 轮次。
• 该系统在 CV 中使用三输入和多输出结构，带同相探测，通过数据后处理实现相位补偿。
• 对源的能量边界假设足以，无需完整态表征，分析中使用 Kato 不等式对相关变量进行界定，以限制 Eve 的猜测概率。
• 生成的比特序列通过了 NIST 统计测试套件，印证了实际随机性质量。