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2024年学术进展系列之46:我院量子信息团队与天体物理团队在量子随机数的交叉研究方面取得新进展
2024-06-28 15:42  

近期,我院量子信息团队与天体物理团队合作在基于X射线的量子随机数发生器研究方面取得重要进展,研究成果以"X-ray-driven multi-bit quantum random number generator"为题被期刊《Optics Express》接收发表。该工作获得广西相对论天体物理重点实验室自主研究课题、国家自然科学基金重点项目等项目资助。

随机数在密码学、仿真建模和赌博等多个领域中起着至关重要的作用。量子随机数发生器(Quantum Random Number GeneratorsQRNGs)利用量子物理过程中的固有随机性来产生随机数,所输出的比特序列具有不可预测性和不可重复性,能够满足各种信息技术的要求。在过去的几十年中,研究者们致力于开发高效的QRNGs,以提高其安全性、产生速率和实用性。目前,如何在单次测量过程中提取出多个随机比特,从而提高随机数产生速率,仍然是QRNGs领域内一个备受关注的研究方向。

这项研究提出了一种基于X射线辐射的多比特量子随机数发生器方案,利用宇宙X射线偏振探测器(Cosmic X-ray Polarization DetectorCXPD探测X射线光子,从光子的到达时间、空间位置和偏振方向三种模式提取随机该方案(如图1所示)的优势在于实现了三种熵源的随机性读出,有效提高了每光子事件的随机数产生速率。为了验证这一方案,研究团队搭建一个实验系统(如图2所示)。实验结果表明,该方案实现了每光子的量子随机数产生速率为33.7 bits,且所产生的随机数通过了美国国家标准化随机数检测工具(如图3所示),证明了方案的可行性。这项研究为基于单光子探测的多比特QRNGs提供了一种新的方案,有望在各种技术应用中提高安全性和可靠性。

1利用X射线辐射的多比特QRNG原理图。(a光子到达时间测量的随机数提取方法。(b光子空间位置测量的随机数提取方法。(c光子偏振测量的随机数提取方法。

 

2:多比特QRNG实验设置。(a)装置结构图。RI,无偏的放射性同位素55FeBW,厚度为100 𝛍m的铍窗;SC,气密室;GMCP,气体微通道板;TCTopmetal芯片。(b)和(c)为GMPD和读出电路的实物图。

 

3:(a)随机比特的自相关测试。测试文件的数据大小为107位。红色虚线表示原始比特,蓝色实线表示最终的随机比特。(bNIST测试的结果。测试项目的显著性水平设为0.01

 

论文作者:林广燊(硕士生),封焕波(博士生),李世卓(硕士生),谢锋(博士生),张振荣(教授),刘宏邦*(教授、通信作者),韦克金*(副教授、通信作者)

论文链接https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-14-24432&id=552329

 

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