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发布时间:2021-07-02     来源于:上海研究院

近日,中国科大教授潘建伟、张军等联合浙江大学储涛教授研究组,通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理,实现了速率达18.8 Gbps迄今最快的实时量子随机数发生器,相关研究成果以“封面论文”的形式发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美国物理联合会(AIP)以“量子随机数发生器实现尺寸和性能新基准(Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance)”为题刊发新闻稿对该工作进行了报道,SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒体也进行了相关转载报道。

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                                                                                        期刊封面

随机数是一种重要的基础资源,在信息安全、密码学、科学仿真、博彩业等众多领域以及日常生产生活中都有着广泛的应用需求。与伪随机数发生器和其他物理随机数发生器不同,量子随机数发生器是基于量子物理原理产生真随机数的系统,具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征,是量子通信系统中的关键核心器件。长期以来,潘建伟、张军等在实用化量子随机数发生器方向开展了系统性研究并取得了重要成果。例如,2014年首次提出基于外部时钟参考的单光子到达时间测量方案,实现速率达100 Mbps的量子随机数发生器;2015年实现了基于激光相位波动的高速量子随机数产生方案;2016年研制了实时速率达3.2 Gbps的量子随机数发生器。

對于實用化量子隨機數發生器,實時生成速率和集成度是核心指標。然而,上述量子隨機數産生方案難以實現高度集成。爲此,潘建偉、張軍等進一步發展了基于真空態漲落的高速量子隨機數産生方案並完成相關實驗驗證,同時與浙江大學儲濤等合作,針對該方案通過多次叠代制備了相應的矽光芯片,並采用混合集成技術將矽光芯片、InGaAs平衡探測器以及跨阻放大器(TIA)封裝在尺寸爲15.6mm×18mm的芯片內。與此同時,通過進一步優化FPGA實時後處理算法和硬件實現,從而在實現高集成度的同時大大提升了量子隨機數發生器的實時生成速率。經傳輸測試,該量子隨機數發生器系統的最終實時速率達到創世界紀錄的18.8Gbps。上述研究成果爲開發低成本商用量子隨機數發生器單芯片奠定了堅實的技術基礎。

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                                                                           实时量子随机数系统原理示意图

該研究工作得到了科技部、中科院、自然科學基金委和安徽省等的資助,同時得到了科大國盾量子和中國電科四十四所的技術協助。

論文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0056027

AIP報道鏈接:https://publishing.aip.org/publications/latest-content/quantum-random-number-generator-sets-benchmark-for-size-performance/

 

(合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)