近日，上海交通大学量子感知与信息处理研究所曾贵华教授课题组与吴侃教授课题组合作，首次实现基于熵不确定性原理的源设备无关量子随机数发生器（SDI-QRNG）芯片。相关成果以“On-chip  Source-Device-Independent  Quantum  Random  Number  Generator”（片上源设备无关量子随机数发生器）为题发表在光学领域国际著名期刊《Photonics Research》上。电子信息与电气工程学院李琅博士生、蔡明璐博士生和王涛副教授为论文第一作者，曾贵华教授为论文通信作者。

图1 片上源设备无关量子随机数发生器方案原理图

研究背景

在网络信息安全应用中，量子科技越来越发挥重要作用，结合量子科技的量子密码系统和网络信息安全解决方案越来越受到用户青睐。为了更好地促进量子科技在网络信息安全领域的产业化应用，量子密码系统正朝着小型化、低成本化发展。小型化有助于量子密码系统与现有光通信设备以及现有密码设备实现设备级融合；低成本化有助于大幅降低单台量子密码设备的成本，促进其在实际商用系统中的应用普及。因此，近年来量子密码系统芯片化受到了各国学者的高度关注和重视。

量子随机数发生器是量子密码系统中的核心元件，它具备内禀随机性，可广泛用于密码安全和科学模拟。然而，量子随机数发生器（QRNG）面临着潜在的安全风险，即量子资源可能被黑客控制，从而影响生成随机数的安全性。为了解决这一问题，源设备无关（SDI）方案提供了一种有效的解决途径。在SDI-QRNG中，测量设备被认为是可信的，而量子资源来源则是不可信的，这种设计可以在不依赖于源的安全性的情况下，确保随机数的安全性。但当前由于片上熵源的真随机性高保真探测和安全熵精确估计很难同时保障，因此SDI-QRNG的芯片化一直是挑战性问题。

创新成果

本工作在片上随机性和安全性的同时保障方面取得了重要突破。首先，在量子随机数发生器芯片上实现了无失真量子资源大带宽探测，有效抑制经典噪声的干扰，确保了高比特率的随机数生成保障真随机性的获取。其次，通过提出片上标准安全熵评估准则对芯片物理条件下实际安全熵下界精确标定，确保了系统的安全性。最终，在实验中实现了146.2 Mbps的封装带宽安全比特率和演示理论最高可达248.47 Gbps的裸片比特率，所有提取的安全比特均通过了随机性测试。

图2 片上源设备无关量子随机数发生器芯片实验系统

该工作的解决了当前基于真空态干涉的散粒噪声型量子随机数发生器系统中量子资源可能被黑客控制的安全问题，首次在硅基光子芯片上成功实现了源设备无关的量子随机数发生器。该芯片中片上真随机量子熵源高带宽高保真相干探测和该芯片采用了片上高带宽无失真相干探测，确保了量子随机数的片上熵源实际安全熵下界精确标定等机理与技术难题的解决，为量子密码设备的小型化和低成本化提供了有效支撑。

工作的意义

该工作为量子密码设备的小型化和低成本化提供了技术基础，也推动了高实际安全性的芯片化量子随机数发生器在实际应用中的普及和推广。SDI-QRNG芯片实现，不仅提升了量子密码设备的安全性和可靠性，还为未来的量子通信、科学模拟和高性能计算等领域提供了坚实的安全随机数产生的技术保障。该芯片技术的广阔应用场景包括但不限于国家安全、金融交易、云计算和物联网等需要高安全性随机数的领域。

全文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.506960