在近日發表於《應用物理快報》上的一篇文章中，我國科學家展示了迄今為止最快的實時量子隨機數發生器（QRNG），且這款裝置具有足夠便攜性。據悉，基於非量子方案的隨機數發生器，其實算不上是真正的隨機。不過此前只有體型相當龐大、且速度相對較慢的量子隨機數發生器，才能達到與量子物理基本定律相當的隨機性水平。
研究配圖 – 1：混合光子芯片的結構和製造（來自：Applied Physics Letters）
為此，世界各地的研究團隊，都在努力尋求讓這些裝置運行更快、且更便攜的方法。而本文介紹的，就是 Jun Zhang 團隊打造的只有指尖大小的集成光子芯片，其隨機數輸出的速度是傳統 QRNG 的兩倍多。
這款裝置結合了最先進的光子集成芯片、以及優化的實時后處理技術，並將之用於從真空態的量子熵源中提取隨機性。
研究配圖 – 2：QRNG 模塊封裝與功能示意
論文作者 Jun Zhang 表示：“新型集成量子光子技術在縮減 QRNG 裝置尺寸方面表現出了顯著的優勢，我們在這項工作中進一步證明了該技術可用於超快、且實時的量子隨機數生成”。
相比之下，當前大多數 QRNG 都使用了單獨的光子與電子元件。想要將此類元件集成到一個芯片中，仍是一項艱巨的挑戰。
Jun Zhang 補充道：“量子隨機數具有不可預測、不可再現、以及無偏等特性，因其隨機性源於量子物理學的內在不確定性”。
研究配圖 – 3：不同振蕩器等效功率設置下的 HPF 輸出 / 平均功率譜密度
在這項新研究中，團隊在芯片上使用了銦鍺砷化光電二極管、集成在硅光子芯片上的跨阻抗放大器、以及多個耦合器和衰減器。
結合了這些組件，使得 QRNG 能夠檢測來自量子熵源的信號，並具有顯着改善的頻率響應。
Jun Zhang 指出：“在這項工作中，最讓我們感到驚訝的一點，莫過於光子集成芯片的高頻響應性能竟然優於預期”。
研究配圖 – 4：原始隨機數據的自相關係數計算
一旦檢測到隨機信號，它們就會被現場可編程邏輯門陣列（FPGA）處理，並從原始數據中提取真正的隨機數。
最終讓 QRNG 裝置達成接近 19 Gbps 的量子隨機數生成速率，然後可通過光纜，將之發送到任意計算機上。
目前該研究團隊已將芯片尺寸縮減到 15.6×18 毫米，明顯小於當前大多數的 QRNG 模塊或儀器。
展望未來，研究團隊希望打造出更加快速且緊湊的設備，為更加實用的 QRNG 解決方案鋪平道路。