文/陳根

隨機數發生器是用來產生隨機數序列的一種器件，真隨機數通常基于物理系統并具備不可預測性、不可重復性和無偏性等特征。普通的計算機基于軟件算法，其實現的隨機數生成器看上去產生的是隨機數，但其實是確定性的數字序列，這就帶來了許多信息安全隱患。

由于隨機性是量子過程的基本屬性，因此科學家們把研究方向轉向了量子力學，并研發出量子隨機數發生器（QRNG）。

量子隨機數發生器是基于量子物理原理或量子效應而產生真隨機數的系統，在實用化量子密碼系統等領域中具有重要的應用。比特率是量子隨機數發生器最重要的指標。早期的量子隨機數發生器利用單光子路徑選擇方案，比特率僅為4 Mbps。為了獲得高比特率的量子隨機數，近年來科學家們不斷尋求突破。

2012年加拿大多倫多大學Lo小組實現了6Gbps的量子隨機數發生器系統；2021年由俄羅斯量子中心、牛津大學等科學家開發的量子隨機數發生器能夠以8.05Gbps的速度產生隨機數；而最近，我國科學家打造的量子隨機數發生器速度達18.8Gbps，成為迄今為止最快的量子隨機數發生器。

一直以來，只有體型較大、速度相對較慢的QRNG才能達到與量子物理基本定律相當的隨機性水平，且大多數QRNG都使用了單獨的光子與電子元件，因此想要將所有元件集成到一個芯片中，是一項艱巨的挑戰。

而最新研發出的QRNG完成了這項挑戰，其體積十分小巧，芯片尺寸僅為15.6×18 mm。此外，該裝置還結合了先進的光子集成芯片以及優化的實時后處理技術，并將之用于從真空態的量子熵源中提取隨機性。

因為量子隨機數的隨機性源于量子物理學的內在不確定性，所以在這項新研究中，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，并具有顯著改善的頻率響應。

值得一提的是，這些組合的器件一旦檢測到隨機信號，就會被現場可編程邏輯門陣列（FPGA）處理，并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，然后通過光纜，將之發送到任意計算機上。

展望未來，研究團隊希望打造出速度更快、體積更小的設備，為開發更加實用的 QRNG 提供可能。