[论文解读] Ultra-fast real-time quantum random number generator with correlated measurement outcomes and rigorous security certification

Tobias Gehring, Cosmo Lupo+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于真空涨落正交测量的实时量子随机数生成器（QRNG），实现8 Gbit/s的生成速度，并通过严格的保密性认证。该方法消除了对经典敌手和测量不相关性的假设，通过使用计量级的本振探测器表征，确保在量子攻击下仍能获得可提取随机性的下限。

ABSTRACT

Quantum random number generators (QRNGs) promise perfectly unpredictable random numbers. However, the security certification of the random numbers in form of a stochastic model often introduces assumptions that are either hardly justified or indeed unnecessary. Two important examples are the restriction of an adversary to the classical regime as well as negligible correlations between consecutive measurement outcomes. Additionally, non-rigorous system characterization opens a security loophole. In this work we experimentally realize a QRNG that does not rely on the aforementioned assumptions and whose stochastic model is established by a rigorous -- metrological -- approach. Based on quadrature measurements of vacuum fluctuations, we demonstrate a real-time random number generation rate of 8 \,GBit/s. Our security certification approach offers a number of practical benefits and will therefore find widespread applications in quantum random number generators. In particular, our generated random numbers are well suited for today's conventional and quantum cryptographic solutions.

研究动机与目标

• 解决现有QRNG中的关键安全漏洞，包括对经典敌手和测量不相关性的假设。
• 消除在随机数生成随机模型中对未经验证或不必要的假设的依赖。
• 实现实时、高速随机数生成（8 Gbit/s），并具备信息论安全认证。
• 开发本振探测系统的计量级表征，以严格约束参数不确定性和系统故障概率。
• 证明该QRNG在经典与量子密码系统中具有可证明安全性的实际应用潜力。

提出的方法

• QRNG通过自研的本振探测器对真空涨落进行正交测量，基于MAR-6微波放大器和InGaAs光电二极管。
• 通过实验表征传递函数，以建模系统的响应，从而获得真空涨落功率的严格下限。
• 通过在随机模型中引入频率依赖响应R(ν)和可见度χ，考虑有限检测带宽引起的时序相关性。
• 通过保守的计量方法计算对量子增强敌手的可提取随机性下限，确保量子安全性。
• 在FPGA上实现Toeplitz随机性提取器，实时提取随机数，并通过后处理消除残余相关性。
• 通过将测量传递函数与理论预测进行比较，验证随机模型，确认真空涨落的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 QRNG能否在不假设经典敌手的前提下，实现8 Gbit/s的实时生成并严格认证安全性？
• RQ2 在不降低生成速率的前提下，如何在安全模型中考虑测量结果的时序相关性？
• RQ3 探测器缺陷和参数不确定性对QRNG安全认证有何影响？
• RQ4 本振系统计量级表征能否提供在量子攻击下依然有效的可提取随机性下限？
• RQ5 该QRNG在量子与经典密码学中可证明安全性的实际应用程度如何？

主要发现

• QRNG通过真空涨落的正交测量，实现了8 Gbit/s的实时随机数生成速率。
• 系统通过建立具有参数不确定度边界的计量级随机模型，实现了严格的保密性认证。
• 可提取随机性的下限被证明在量子增强敌手下依然有效，消除了对仅经典敌手假设的依赖。
• 有限检测带宽引起的时序相关性已在安全模型中明确考虑，确保系统鲁棒性且无需降低速率。
• QRNG被证明适用于量子密钥分发，在连续运行10年后安全参数ε约为10⁻³³。
• 传递函数表征结果表明，测量的真空涨落功率被理论最小值严格下界约束，验证了随机模型的正确性。