量子隨機數(shù)實驗研究.pdf

1、量子力學(xué)與信息科學(xué)的結(jié)合，誕生了一個嶄新的學(xué)科—量子信息學(xué)，主要包括量子計算與量子通信，其中量子通信提供了一個理論上無條件安全的通信方式，經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，已經(jīng)到了實用化的階段。在量子通信系統(tǒng)的研發(fā)中，關(guān)鍵器件的研制起著至關(guān)重要的作用。事實上，當(dāng)前量子通信領(lǐng)域激烈的國際競爭已經(jīng)逐步演變成單光子探測與隨機數(shù)產(chǎn)生等關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的競爭。在量子通信系統(tǒng)中，需要用到大量的隨機數(shù)序列，并且所用隨機數(shù)的質(zhì)量直接關(guān)乎到整個系統(tǒng)的安全性。在

2、隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)中，通過測量量子物理系統(tǒng)中內(nèi)秉的隨機特性產(chǎn)生真隨機數(shù)的量子隨機數(shù)發(fā)生器（QRNG），輸出的隨機性是由量子力學(xué)基本原理所保證的，因此相比于其它隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)來說更具優(yōu)勢，自然地成為了量子通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)。
　　本論文作者在博士期間的主要工作是QRNG的實驗研究，主要集中在QRNG系統(tǒng)的實用化與現(xiàn)實條件下的安全性兩個方面。在實用化方面，先后發(fā)展了基于光子到達時間測量、激光相位波動測量等方案的高速量子隨機數(shù)產(chǎn)

3、生技術(shù)，并研制了一個實時高速的QRNG模塊，為未來超高速量子通信系統(tǒng)的量子隨機數(shù)需求提供了可行的解決方案，推動了QRNG的實用化進程。在現(xiàn)實條件下量子隨機數(shù)的安全性方面，首次在實驗上實現(xiàn)了測量器件無關(guān)(MDI)的QRNG(MDI-QRNG)，有效地解決了現(xiàn)實條件下測量器件不完美對量子隨機數(shù)產(chǎn)生引起的最小熵估計錯誤以及由此帶來的安全隱患。
　　本論文主要介紹了QRNG相關(guān)的概念、原理、方案以及本論文作者在博士期間的QRNG實驗研究工

4、作。在光子到達時間測量的QRNG實驗研究中，提出并實現(xiàn)了相對于外部固定參考的光子到達時間測量的QRNG方案，能夠輸出接近于理想均勻分布的原始隨機數(shù)據(jù)，原始比特率達到了109 Mbps。在激光相位波動測量的QRNG的實驗研究中，實驗實現(xiàn)了速率高達68 Gbps的QRNG，相比此前國際上最快的QRNG，速率提高了一個數(shù)量級。為了滿足干涉儀穩(wěn)定性的需求，主動反饋系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了干涉儀的相位穩(wěn)定控制。為了推動QRNG的實用化進程

5、，在實驗演示的基礎(chǔ)上研制出實時速率為3.2 Gbps的QRNG模塊，并首次在高速FPGA中實現(xiàn)了基于Toeplitz矩陣的實時高速的隨機性提取算法。在現(xiàn)實條件下QRNG系統(tǒng)的安全性方面的實驗研究中，首次實驗實現(xiàn)了一種基于時間相位編碼方案的MDI-QRNG，可以在不對測量器件進行標定甚至測量器件不可信的情況下輸出經(jīng)過認證的量子隨機數(shù)，最終比特率為5.7 Kbps。這種全部使用光纖器件實現(xiàn)的系統(tǒng)為構(gòu)建全集成式的實用化MDI-QRNG提供了一