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研究快讯 | 基于电子体系的高随机性高稳定性的无后处理量子随机数发生器

时间：2023-07-05 来源： 浏览：

研究快讯 | 基于电子体系的高随机性高稳定性的无后处理量子随机数发生器

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以下文章来源于ChinesePhysicsLetters ，作者CPL

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EXPRESS LETTER

A High-Randomness and High-Stability Electronic Quantum Random Number Generator without Post Processing

Yu-Xuan Liu(刘宇轩), Ke-Xin Huang(黄可馨), Yu-Ming Bai(白玉明), Zhe Yang(杨哲), and Jun-Lin Li(李俊林)

Chin. Phys. Lett. 2023, 40 (7): 070303

DOI: 10.1088/0256-307X/40/7/070303

文章亮点

在常温常压下实现了基于雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode, APD)内电子隧穿效应的高随机性高稳定性的量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator, QRNG)，输出的无任何后处理(without post-processing and conditioning)的原始随机序列最小熵超过了此前报道的最高纪录，且在长时间连续输出下能保持稳定，有望满足密码学界对于高随机性随机数的需求。
基于电子隧穿效应的QRNG物理图像及其输出数据统计结果。左上：利用电子隧穿效应生成随机序列的物理图像。右上：8-bit值概率统计图。将8,000,000 bits原始随机序列按照NIST SP 800-90B规范每8 bits作为一个样本（共1,000,000个样本），对每个样本值（8-bit值）出现的概率进行统计。左下：最小熵分布图，横轴间隔为0.0003 bits/bit。QRNG连续运行约11,744秒，输出无任何后处理的1,174,405,120,000 bits原始数据，对每8 Mbits数据进行最小熵计算，最终原始随机序列统计最小熵平均值为0.9892 bits/bit，标准差为0.0208 bits/bit。右下：最小熵随随机序列长度的变化曲线。

基于电子体系的高随机性高稳定性的无后处理量子随机数发生器

研究背景

随机数是密码学的核心之一，是数据安全的基石 ，在多体蒙特卡罗算法、退火算法、进化算法、验证Bell不等式的相关实验等科学研究领域有着广泛应用。量子随机数的随机性来源于波函数的内禀概率特性，是一种被理论证明具有真随机性的随机数，受到越来越广泛的关注。但是， 实现长时间连续输出无任何后处理的高随机性随机数的QRNG一直是该领域的难题 。

内容简介

针对这一困难，近期， 清华大学物理系李俊林研究组在基于APD电子隧穿效应的离散型QRNG方面取得进展 。 该系统在常温常压下能以100 Mbps的速率输出原始随机序列。原始随机序列在无需任何后处理的情况下具有良好随机性，8,000,000 bits统计最小熵达到0.9944 bits/bit，NIST SP 800-90B认证最小熵达到0.9872 bits/bit，此结果是目前所知的QRNG输出原始随机序列的最高值 。此前，最小熵的最高记录为2022年《ACS Nano》上报道的在7 K, 10 -4   Torr条件下获得的0.983 bits/bit (原文“To the best of our knowledge, this is the highest reported min-entropy for any TRNG”，参考“A High-Quality Entropy Source Using van der Waals Heterojunction for True Random Number Generation”，ACS Nano 2022, 16(4): 5898–5908)。此外，该QRNG能够长时间连续稳定输出高随机性的原始数据，系统11,744 s连续输出1,174 Gbits原始数据，以每8 Mbits作为基本单元得到统计最小熵分布，其平均值为0.9892 bits/bit。

随机性是随机数的本质特征，通常用最小熵（一般指归一化的最小熵）衡量。最小熵数值越接近于1 bits/bit，随机性越好，越趋近理想随机序列（理想随机序列，最小熵为1 bits/bit）。在密码学中，随机序列的随机性越好，加密安全性越高。

研究意义和重要性

目前常见的QRNG一般是基于光子体系和电子体系的。 与基于光子体系的QRNG相比，电子QRNG的优势在于没有电-光-电转换过程、结构简单、系统稳定，且与半导体工艺兼容，具有可集成性 。 该工作实现的离散型电子QRNG在常温常压下输出的原始随机序列随机性高、稳定性强，具有较高的实用性，有望满足产业界对于高质量QRNG的需求 。

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