【產(chǎn)通社，8月27日訊】上海交通大學(xué)（Shanghai Jiao Tong University, SJTU）官網(wǎng)消息，電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)院量子感知與信息處理研究所曾貴華教授團(tuán)隊(duì)、吳侃教授課題組、上海循態(tài)量子科技有限公司合作，首次實(shí)現(xiàn)基于熵不確定性原理的源設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（SDI-QRNG）芯片。相關(guān)成果以“On-chip  Source-Device-Independent  Quantum  Random  Number  Generator”（片上源設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器）為題發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國際著名期刊《Photonics Research》上，并同時(shí)入選為該期刊封面文章和editor's pick。


研究背景


在網(wǎng)絡(luò)信息安全應(yīng)用中，量子科技越來越發(fā)揮重要作用，結(jié)合量子科技的量子密碼系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)信息安全解決方案越來越受到用戶青睞。為了更好地促進(jìn)量子科技在網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，量子密碼系統(tǒng)正朝著小型化、低成本化發(fā)展。小型化有助于量子密碼系統(tǒng)與現(xiàn)有光通信設(shè)備以及現(xiàn)有密碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備級融合；低成本化有助于大幅降低單臺量子密碼設(shè)備的成本，促進(jìn)其在實(shí)際商用系統(tǒng)中的應(yīng)用普及。因此，近年來量子密碼系統(tǒng)芯片化受到了各國學(xué)者的高度關(guān)注和重視。

量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是量子密碼系統(tǒng)中的核心元件，它具備內(nèi)稟隨機(jī)性，可廣泛用于密碼安全和科學(xué)模擬。然而，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）面臨著潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，即量子資源可能被黑客控制，從而影響生成隨機(jī)數(shù)的安全性。為了解決這一問題，源設(shè)備無關(guān)（SDI）方案提供了一種有效的解決途徑。在SDI-QRNG中，測量設(shè)備被認(rèn)為是可信的，而量子資源來源則是不可信的，這種實(shí)現(xiàn)可以在不依賴于源的安全性的情況下，確保隨機(jī)數(shù)的安全性。但當(dāng)前由于片上熵源的真隨機(jī)性高保真探測和安全熵精確估計(jì)很難同時(shí)保障，因此SDI-QRNG的芯片化一直是挑戰(zhàn)性問題。


創(chuàng)新成果


本工作在片上隨機(jī)性和安全性的同時(shí)保障方面取得了良好進(jìn)展。首先，在量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片上實(shí)現(xiàn)了無失真量子資源大帶寬探測，有效抑制經(jīng)典噪聲的干擾，確保了高比特率的隨機(jī)數(shù)生成保障真隨機(jī)性的獲取。其次，通過提出片上標(biāo)準(zhǔn)安全熵評估準(zhǔn)則對芯片物理?xiàng)l件下實(shí)際安全熵下界精確標(biāo)定，確保了系統(tǒng)的安全性。最終，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了146.2Mbps的封裝帶寬安全比特率和演示理論最高可達(dá)248.47 Gbps的裸片比特率，所有提取的安全比特均通過了隨機(jī)性測試。

該工作解決了當(dāng)前基于真空態(tài)干涉的散粒噪聲型量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)中量子資源可能被黑客控制的安全問題，首次在硅基光子芯片上成功實(shí)現(xiàn)了源設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。該芯片中片上真隨機(jī)量子熵源高帶寬高保真相干探測和該芯片采用了片上高帶寬無失真相干探測，確保了量子隨機(jī)數(shù)的片上熵源實(shí)際安全熵下界精確標(biāo)定等機(jī)理與技術(shù)難題的解決，為量子密碼設(shè)備的小型化和低成本化提供了有效支撐。


研究意義


該工作為量子密碼設(shè)備的小型化和低成本化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也推動(dòng)了高實(shí)際安全性的芯片化量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在實(shí)際應(yīng)用中的普及和推廣。SDI-QRNG芯片實(shí)現(xiàn)，不僅提升了量子密碼設(shè)備的安全性和可靠性，還為未來的量子通信、科學(xué)模擬和高性能計(jì)算等領(lǐng)域提供了堅(jiān)實(shí)的安全隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的技術(shù)保障。該芯片技術(shù)的廣闊應(yīng)用場景包括但不限于國家安全、金融交易、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等需要高安全性隨機(jī)數(shù)的領(lǐng)域。


論文信息


論文第一作者為電院李瑯、蔡明璐博士生和王濤副教授，論文通信作者為曾貴華教授，其他作者包括碩士生譚子聰、黃鵬副研究員和吳侃教授。相關(guān)研究工作得到科技創(chuàng)新2030國家重大專項(xiàng)、上海市重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金以及廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站http://news.sjtu.edu.cn/jdzh/20240724/200614.html，以及https://doi.org/10.1364/PRJ.506960。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）