针对这一困难,清华大学物理系李俊林研究组近期在该研究领域取得进展。该研究组基于雪崩光电二极管电子隧穿效应实现的离散型QRNG在常温常压下能以100 Mbps的速率输出原始随机序列,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输出无任何后处理的随机序列的最高纪录。此前,最小熵的最高值为2022年《纳米技术》(ACS Nano)上报道的在7K,10-4Torr条件下获得的0.983 bits/bit。此外,该QRNG输出的原始数据在长时间连续稳定保持高随机性方面也获得进展,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。
![20230630-科研进展-李俊林-基于电子隧穿效应的QRNG原理示意图.png](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/0/F4/4F/79E3C77EC28B78850F4C61CBCBD_8DF1B2D1_B9172.png)
图1.基于电子隧穿效应的QRNG原理示意图
相比于目前许多QRNG,该QRNG输出的数据在无任何后处理的条件下具有良好的随机性。随机序列直接由量子熵源生成,其随机性完全来源于量子熵源而非数学运算过程,即随机性来源于波函数坍缩的内禀随机性。在NIST SP 800-90B规范下的测试结果表明该量子熵源具有良好随机性(图2)。
![20230630-科研进展-李俊林-8-bit值概率统计图.png](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/8/EF/6B/1D70C5E9A5C0674B766BF67CB73_B50B4AF0_DD01.png)
图2.8-bit值概率统计图。将按照NIST SP 800-90B规范获得的连续数据集和重启数据集(长度均为8,000,000 bits)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可得到样本概率分布图,图中蓝色柱为实验统计数据,红线表示理想的均匀分布。(a)连续数据集(b)重启数据集
实际应用中,QRNG工作时往往需要长时间连续输出随机序列,并且要求所有的随机序列都具有高随机性。因此长时间连续输出的随机序列的稳定性是实用QRNG的一个重要指标。在这项研究中,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数据计算最小熵,最终QRNG输出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(图3a);在长数据最小熵统计下,统计最小熵能够稳定在0.99 bits/bit附近,整个序列的最小熵值为0.9951 bits/bit(图3b)。这些结果说明系统具有良好的长时间稳定性。
![20230630-科研进展-李俊林-a)统计最小熵分布图,横轴间隔为0.0003 bitsbit,b)统计最小熵随随机序列长度的变化曲线.png](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/3/E3/31/F03F4DC7A034C3E5F872E5522BB_F2E98579_1E3EC.png)
图3.(a)统计最小熵分布图,横轴间隔为0.0003 bits/bit,(b)统计最小熵随随机序列长度的变化曲线
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具有较高实用性,有望满足密码学界对于高随机性随机数的需求。
研究成果以“基于电子体系无后处理的高随机性高稳定性量子随机数发生器”(A High-Randomness and High-Stability Electronic Quantum Random Number Generator without Post Processing)为题,于6月27日发表在《中国物理快报》(Chinese Physics Letters)上。
物理系2022级博士生刘宇轩为文章的第一作者,李俊林副教授为文章的通讯作者。合作者包括科研助理黄可馨、2022级博士生白玉明和原博士后杨哲。研究得到国家自然科学基金的支持。
论文链接:
https://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/40/7/070303
供稿:物理系
编辑:李华山
审核:郭玲
2023年07月04日 09:22:51