连续变量量子随机数发生器熵含量及产生速率提升的研究

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随机码发生器是加密技术的关键,从根本上决定着通信系统的隐私和安全,在信息安全和金融安全领域发挥着不可替代的作用。在如今这个万物互联、信息大爆炸的时代,面向密码学应用领域,安全性信息论可证明的真随机数发生器至关重要。
  在保密通信方案中,随着通信距离的不断加大,速率的不断提高,对随机数发生器的随机数产生速率提出越来越高的要求。在量子密钥分发方案中,由于量子退相干、量子传输通道损耗和第三方窃听等等因素,信息协商过程中,至少需要数Gbps甚至数10Gbps的随机数产生速率来保证系统的安全运行。
  我们提出通过增加连续变量量子随机数量子噪声熵含量及并行提取量子熵源的方法,有效地提高了量子随机数的实时产生速率。首先,我们研究量子探测系统、随机数变量量化系统中探测增益、本底增益、ADC采样范围、边信息等各因素对量子熵含量的影响,提出在最优化量化动态范围的前提下通过提高本底增益来有效提高系统量子熵含量;进而探索了利用混沌敏感性放大量子散粒噪声的方法,提高量子随机数熵源的信噪比来提高系统量子熵含量;最后采用在平衡零拍探测器带宽内并行提取量子真空态三个高频边带量子态为熵源的方法,使量子随机数产生速率成倍增长。实验上已经实现了8.25Gbps的量子随机数实时产生速率。
  我们利用真空量子起伏无限带宽且不同频模相互独立的特点,提取多个不同中心频率的真空量子模分量起伏共同作为子熵源来并行产生量子随机数。充分调用FPGA并行算法优势,基于单个FPGA,进行多路量子随机数的实时并行后处理,实现了硬件逻辑资源高效利用。该方案系统稳定、集成化前景显著、扩展性强,为连续变量量子随机数发生器提供了一种速率提升的高效方案。
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