高速光量子随机源：基于单光子脉冲时间随机性

"基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源是一种创新的光量子随机数生成技术，它利用单光子脉冲的时间间隔不规则性来产生随机位。该技术结合了衰减成单光子态的光源、单光子探测器，以及高速微通道板探测器和FPGA驱动的随机位提取电路，实现了超过10 Mbit/s的随机数生成速率。通过恒比定时和计数时钟倍频技术提高了时间间隔测量的精确度，降低了随机位序列的相关性。当生成速率低于10 kbit/s时，随机位的相关系数小于0.001，表现出极高的随机性。经过ENT和DIEHARD等随机性测试程序的验证，产生的随机序列无需额外处理即满足真随机数标准，适用于各种安全应用。" 本文详细阐述了一种基于量子光学原理的光量子随机源设计，其核心在于单光子脉冲的时间间隔随机性。这种随机性来源于光子的量子性质，是不可预测的，因此可以作为生成真正随机数的基础。在实验中，研究人员采用了光强恒定的光源衰减成单光子状态，并使用一个高响应性的微通道板单光子探测器来检测这些单光子脉冲。微通道板探测器的高速性能对于实现高速随机数生成至关重要。 为了提高随机位提取的效率，研究团队设计了一个基于FPGA（现场可编程门阵列）的电路系统，它可以实时处理单光子探测器产生的脉冲信号，从中提取随机位。通过优化恒比定时技术和计数时钟倍频方法，他们能够更精确地测量相邻脉冲间的时间间隔，进而减小随机位序列的关联性，这对于保证随机性的质量至关重要。 在实际应用中，光量子随机源的性能主要由其随机位产生速率和随机性的质量来衡量。在10 kbit/s以下的速率下，所获得的随机位序列具有极低的相关系数，这意味着它们在统计上接近于独立，这为安全通信和密码学等领域提供了理想的随机数源。此外，通过使用随机性测试工具如ENT和DIEHARD进行严格的测试，结果显示生成的随机位序列的随机性非常出色，无需进一步的后处理，完全符合真随机数的标准。 这项工作展示了基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源在高安全性需求的应用中的潜力，如加密算法、模拟和仿真、以及量子计算等领域。随着技术的进一步发展，这种随机源有望提供更高性能和更广泛的应用。