量子隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子力學(xué)與信息科學(xué)的結(jié)合，誕生了一個(gè)嶄新的學(xué)科—量子信息學(xué)，主要包括量子計(jì)算與量子通信，其中量子通信提供了一個(gè)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(shí)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(shí)上，當(dāng)前量子通信領(lǐng)域激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)逐步演變成單光子探測(cè)與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生等關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)。在量子通信系統(tǒng)中，需要用到大量的隨機(jī)數(shù)序列，并且所用隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量直接關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的安全性。在

2、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)中，通過測(cè)量量子物理系統(tǒng)中內(nèi)秉的隨機(jī)特性產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG），輸出的隨機(jī)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(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)來說更具優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)研究，主要集中在QRNG系統(tǒng)的實(shí)用化與現(xiàn)實(shí)條件下的安全性兩個(gè)方面。在實(shí)用化方面，先后發(fā)展了基于光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量、激光相位波動(dòng)測(cè)量等方案的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)

3、生技術(shù)，并研制了一個(gè)實(shí)時(shí)高速的QRNG模塊，為未來超高速量子通信系統(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)需求提供了可行的解決方案，推動(dòng)了QRNG的實(shí)用化進(jìn)程。在現(xiàn)實(shí)條件下量子隨機(jī)數(shù)的安全性方面，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量器件無關(guān)(MDI)的QRNG(MDI-QRNG)，有效地解決了現(xiàn)實(shí)條件下測(cè)量器件不完美對(duì)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生引起的最小熵估計(jì)錯(cuò)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(shí)驗(yàn)研究工

4、作。在光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量的QRNG實(shí)驗(yàn)研究中，提出并實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于外部固定參考的光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量的QRNG方案，能夠輸出接近于理想均勻分布的原始隨機(jī)數(shù)據(jù)，原始比特率達(dá)到了109 Mbps。在激光相位波動(dòng)測(cè)量的QRNG的實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了速率高達(dá)68 Gbps的QRNG，相比此前國(guó)際上最快的QRNG，速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了滿足干涉儀穩(wěn)定性的需求，主動(dòng)反饋系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了干涉儀的相位穩(wěn)定控制。為了推動(dòng)QRNG的實(shí)用化進(jìn)程

5、，在實(shí)驗(yàn)演示的基礎(chǔ)上研制出實(shí)時(shí)速率為3.2 Gbps的QRNG模塊，并首次在高速FPGA中實(shí)現(xiàn)了基于Toeplitz矩陣的實(shí)時(shí)高速的隨機(jī)性提取算法。在現(xiàn)實(shí)條件下QRNG系統(tǒng)的安全性方面的實(shí)驗(yàn)研究中，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種基于時(shí)間相位編碼方案的MDI-QRNG，可以在不對(duì)測(cè)量器件進(jìn)行標(biāo)定甚至測(cè)量器件不可信的情況下輸出經(jīng)過認(rèn)證的量子隨機(jī)數(shù)，最終比特率為5.7 Kbps。這種全部使用光纖器件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)為構(gòu)建全集成式的實(shí)用化MDI-QRNG提供了一