基于集成AlGaAs微谐振器的126 Tbit/s超高速并行物理随机数发生器研究

本研究报道了一种基于集成AlGaAs微谐振器的超高速物理随机数(PRBs)生成技术。研究人员通过利用AlGaAs材料的高非线性特性，实现了覆盖1300-1740 nm波段的420 GHz自由光谱范围(FSR)的百路并行混沌光频梳产生，其混沌动力学带宽较Si3N4提升近一个数量级。该装置在0.1 ns内即可达到0.999的排列熵(PE)值，单通道280 Gbps的NIST SP 800-22认证随机数生成速率，通过优化设计最终实现126 Tbps的总生成速率，为量子通信等领域提供了突破性的随机数源解决方案。

　　

这项突破性研究展示了一种基于集成铝镓砷(AlGaAs)微谐振器的超高速物理随机比特(PRBs)生成系统。这种微型谐振器可产生数百个并行光频梳齿，其光谱范围横跨1300至1740纳米，具有420吉赫兹(GHz)的自由光谱范围(FSR)。得益于AlGaAs材料卓越的非线性特性，这些频梳齿展现出平坦的光谱分布和超过10 GHz射频范围的混沌动力学特性，其性能比传统的氮化硅(Si₃N₄)器件提升近一个数量级。

令人惊叹的是，这些频梳齿能在亚纳秒时间尺度上产生混沌振荡，仅需约0.1纳秒(ns)即可达到0.999的排列熵(PE)值。基于这种宽带混沌光源，研究人员实现了单通道280吉比特每秒(Gbps)的随机数生成速率，并通过了NIST SP 800-22标准认证。考虑到AlGaAs微谐振器中超过100个频梳齿的并行工作，总随机数生成速率可达约28太比特每秒(Tbps)。通过采用简化的后处理方案，仍能实现单通道160 Gbps的合格随机数生成，总速率约16 Tbps。

更令人振奋的是，当将集成AlGaAs微谐振器的FSR缩小至100 GHz时，实验上实现了超过450个混沌频梳齿的生成。据此推算，该系统的物理随机数生成速率可达到惊人的126 Tbps（280 Gbps × 450），为量子密码学、安全通信等领域的应用开辟了新的可能性。