低成本光电器件驱动并行化量子随机数发生器实现理论64 Gb/s吞吐量

本刊推荐：本研究基于放大自发辐射（ASE）噪声，提出一种理论吞吐量达64 Gb/s的量子随机数发生器（QRNG）方案。创新性采用商用200 MHz带宽光电探测器实现单通道1.05 Gb/s实时生成，并开发复杂度O(n)的双速率循环移位异或（DRCS-XOR）算法有效消除符号间关联性。该架构通过宽带ASE熵提取与低成本光电器件的协同集成，突破传统QRNG系统带宽-效率权衡限制，为高性能随机数生成提供了经济高效的解决方案。

　　

Highlight

量子随机数生成器（QRNG）通过利用固有量子现象提供可证明的不可预测性，在密码学协议、蒙特卡洛模拟和安全云计算基础设施中发挥关键作用。与基于确定性算法的伪随机数生成器（PRNG）不同，QRNG能提供无条件安全性，解决其固有可预测性带来的安全风险。

Principle of the method

图1展示了QRNG的示意图，包含三个模块：熵源、熵采集系统和后处理。放大自发辐射（ASE）噪声源于量子物理学中的自发发射过程，具有宽光谱输出特性。这种宽光谱表现为光场相位和振幅在极短相干时间内的快速随机波动，因而可作为随机数生成的熵源。

Experiment setup and results

图4展示了实验装置，采用掺铒光纤放大器（EDFA）作为ASE噪声源，光谱范围50纳米，输出功率13.5分贝毫瓦。ASE噪声由200 MHz带宽光电探测器（PD）和1 GHz带宽数字示波器（OSC）进行检测和采样量化，原始随机序列进行离线后处理。

各通道带宽设置为37.5 GHz，首尾通道中心波长分别为1526.2纳米和1563.8纳米。通过波分复用（WDM）方案，理论上可实现64通道并行运行，显著提升系统吞吐量。

Results and discussions

原始随机信号S₁和S₂分别以2 GSa/s和125 MSa/s采样率获取。图3(e)和图3(f)展示了它们的自相关函数：2 GSa/s采样的信号在短时标上表现出显著自相关性；而S₂虽以系统带宽62.5%的速率采样，仍在第二个采样点（k=2）呈现明显相关性。

Conclusion

本研究基于ASE噪声熵源实验验证了QRNG方案，并提出新型DRCS-XOR算法高效提取无偏独立随机比特。同时通过WDM方案将QRNG生成速率扩展至64 Gb/s的可行性得到实验验证。该算法突破光电器件固有带宽限制，为高性能随机数生成提供了创新性解决方案。