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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

已有 453 次阅读 2023-7-9 04:03 |系统分类:论文交流

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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。

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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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