南京大学固体微结构物理国家重点实验室、物理学院祝世宁、龚彦晓团队在量子随机数方面取得重要进展。该团队提出并实验演示了一种基于色散取消效应的源无关量子随机数发生器，能够使用不可信的源设备产生真正的随机比特，为半设备无关量子随机数发生器的实际应用奠定了坚实基础。
图1：基于色散取消效应的源无关量子随机数发生器的概念图
随机数在密码学、科学仿真、基础物理研究和博彩业等具有重要应用。与无法提供安全随机性的经典随机数生成器不同，量子随机数生成器从量子力学固有的不确定性中产生随机数，产生过程能够被严格认证，因此安全性更高。在过去的几十年里，量子随机数的产生得到了广泛的研究，人们已经开发了多种高速、实时的量子随机数发生器，并且已经有一些商业化的产品。然而，这些量子随机数发生器都基于一个强有力的假设，即源和测量设备都是可信且完美的。但在实际运行中，随机数的产生过程可能会受到来自不可信的设备的攻击，或者偏离理论模型，影响随机数的安全性。针对这一问题，该团队基于色散取消效应，提出并实验演示了一种源设备无关的量子随机数发生器，能够基于不可信熵源生成真随机数，具有安全高效、应用场景广泛等优势，可直接应用于包括量子密钥分发、量子非局域性检验等任务中。
图2.源无关的量子随机数发生器的实验装置。（a）纠缠源，（b）测量设备。
具体实验过程如图2。研究人员制备了相干时间为2.1ns的长脉冲泵浦光，通过在PPLN波导中的自发参量下转换过程产生一对时间-能量纠缠光子。将两个光子分别发送给可信的测量端Alice和Bob，其中Alice的一部分光子执行到达时间测量产生原始随机比特，另一部分光子经过正色散介质后，与Bob端经过相同大小的负色散介质的光子进行联合时间测量来观测非局域色散取消效应，认证不可信的纠缠源。
图3. 不同NAT条件下最小平滑熵与Nd之间的关系。
完成对源的安全性认证后，研究人员考虑到有限测量范围问题对随机性的影响，采用修正的熵不确定性关系量化系统真随机性。如图3所示为最小平滑熵与总计数（NAT）及维度（Nd）之间的关系，随着NAT增大，最小平滑熵的数值也不断增大；当NAT的值固定时，最小平滑熵的数值首先与Nd呈正相关关系，随后由于较大的统计波动而不断减小，该过程中可以通过优化Nd（本实验中Nd = 232、246、250和256）来获得最大数值的最小平滑熵，最终选取Nd=256，对应平滑熵为0.9 bit/count。据此，研究人员生成规模为80000 × 9000的Toeplitz矩阵，进而从原始比特中提取真随机数，最终实现了4 Mbps的真量子随机数生成速率。如果使用探测速度更快、时间分辨率更低的单光子探测器，随机数产率可以达到Gbps的水平。另外，进一步结合波导等光量子集成技术，该量子随机数发生器有望集成在光量子芯片中。该研究成果大幅降低了量子随机数发生器在应用过程中对于设备可信度的要求，其设计和实现方案有助于推动突破高性能、高安全性量子随机数发生器的研究瓶颈。
相关研究成果以“Realization of a source-device-independent quantum random number generator secured by nonlocal dispersion cancellation”为题在线发表在《Advanced Photonics》(DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036003, 2023)上。
南京大学物理学院博士生张继宁为该论文的第一作者，南京大学物理学院博士后李新慧和龚彦晓教授为共同通讯作者，南京大学祝世宁院士和谢臻达教授对该工作进行了深入指导。该研究工作得到了国家重点研发计划、科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项的资助。