基于时分复用光学参量振荡器的5比特全光量子随机数发生器

2023年11月，北京玻色量子科技有限公司（以下简称“玻色量子”）联合天津大学在学术期刊《Optics Express》上发表了以“5-bit all-optical quantum random number generator based on a time-multiplexed optical parametric oscillator”（基于时分复用光学参量振荡器的5比特全光量子随机数发生器）为题的学术论文。  

联合研究团队研制出一种基于时分复用简并点飞秒光学参量振荡器，具备高重复频率飞秒光纤激光器泵浦，通过在谐振腔中接入多通单元，能高效拓展光路，实现5比特全光量子随机数发生器，并能保持系统高度的紧凑性和稳定性。

目前，随机数作为重要的基础资源，在科学计算、密码学、通信等领域有着重要的应用价值。根据产生随机数原理，将产生随机数的工具分为伪随机数发生器和真随机数发生器。其中，20世纪60年代量子理论的兴起为真随机数的产生提供了全新的助力，光量子中的随机特性是随机数发生器的完美来源，真随机数发生器因此得到飞速发展。 而飞秒光学参量振荡器依赖参量过程，通过简并点独特的二值相位分布特性，不需要繁琐的后处理工作，即可生成真随机数，且结构较为简洁，近年来引发了广泛关注。然而，该方法中随机数产生比特数受到腔内信号光循环时间的限制，被局限在单比特输出，如何进一步提升比特数，以满足更加广泛的应用需求是一个急需解决的问题。

由于量子效应的不确定性和不可预测性，量子随机数发生器（QRNG）作为随机数发生器的“新标准”脱颖而出。在过去的数十年里，人们设计并提出了各种类型的QRNG，然而在大多数方案中，繁琐的后处理工作使实际系统复杂化，这给实际应用带来了巨大的挑战。通常，选择随机数提取方法来消除经典噪声，保证状态的纯度是最重要的，这促使联合研究团队提出一个独立于后处理方案的QRNG系统。

此前，简并光学参量振荡器（DOPO）产生了多种有趣的非线性动力学行为，如时间模拟、相变和耗散二次孤子，从应用角度来看，基于二阶非线性过程的DOPOs已被证明能以一种巧妙的全光学方式实现真随机数发生器和相干伊辛机。

论文中，研究团队证明了在DOPO腔中插入多通道单元（MPC）会实现时分多路复用DOPO，从而产生5比特字符串随机数。泵浦激光器设置50 MHz重复频率，DOPO脉冲在∼15m等效线性腔中共振，设计精密。在研究团队设计的系统中，5个时间多路OPO（光学参量振荡器）脉冲位于标记的两种可能相位态中的一个；当增加泵功率超过阈值时，数据流是通过干扰DOPO脉冲与基本的泵浦脉冲来实现的，不需要额外的比特提取。由于二元相以真空波动的形式出现在非线性晶体中，输出呈现不可预测性。通过分析1200比特测量值的分布，由于具备全光特性，该系统具有实现高速、能量生成和位值可扩展的随机数生成的能力。

(a)所提出的QRNG的实验设置。DOPO包括在空腔内循环的5个信号脉冲。利用迈克尔逊干涉仪测量了DOPO输出脉冲和基本泵浦脉冲的相对相位态。DM：二向色镜面（HR 515，AR 1030），HWP：半波板，M：镜面，MPC：多通单元，OC：输出耦合器，BS：分束器，PD：光电探测器，(b)泵浦和DOPO的脉冲序列说明，其中OPO腔往返时间是泵浦振荡器腔的5倍。

OPO输出光在简并点和非简并点的状态随腔体长度的变化而变化。(a)-(c)表示非简并谱；(d)表示接近简并状态；(e)简并DOPO的输出谱。

(a)DOPO输出功率稳定性试验。红线表示10分钟以上的平均功率。(b)输出信号（蓝线）和基础泵（红线）的频谱。

在2 kHz的斩波频率下测量的随机数序列

基于简并OPO的全光学RNG的时域测量。(a)-(f)表示在DOPO中通过打开-“打开” 和“关闭”系统的不同输出结果，并伴随着一个10 kbps的时钟信号。“0”和“1”对应于干扰的强度。

QRNG不同结果选项的条件概率。样本量为1200比特，绿线表示理想值中的条件概率值情况插入：分别由蓝色和红色区域表示的序列中位值为0和1的概率。

随机数的产生是通过用光电探测器测量信号与泵浦之间的干涉来实现的，它不需要大量的后处理，简化了系统的复杂性；比特值分布和条件概率的检验都表明了所提出的QRNG具有良好的无偏性能。

由于QRNG比特序列与在DOPO腔中循环的脉冲数直接相关，联合研究团队期望通过扩展自研DOPO方法，可以进一步扩展光学比特序列。例如，通过增加泵浦重复频率和腔长，使谐振器中的脉冲数倍增，有望实现更高的比特率。简单来说，当使用1 GHz 激光掺杂系统作为泵浦源时，可以实现多达100比特。在当前1 GHz比特率的方案中，比特序列可以扩展20倍。此外，研究团队还可以通过使用更快的光调制器控制DOPO，以超过1 MHZ的频率刷新比特序列。未来，这项工作将激发新型多比特光学随机数发生器的研究进展，并进一步促进其在光学计算、光学数据存储和量子信息科学等领域的实际应用。            

审核编辑：汤梓红