测量器件无关的量子随机数研究

Quantum random number generator (QRNG) is one of the core components for quantum communication, and the security of all the conventional QRNGs is based on the assumption of using trusted devices. However, under the realistic conditions devices for constructing QRNGs are not perfect, which may result in potential security problems for the applications using QRNGs. In this project, we are planning to experimentally study a measurement-device-independent (MDI) QRNG scheme that can be immune to any attacks to the devices in the measurement part. In such a way, this scheme can guarantee the security of QRNGs under realistic conditions. Concretely, through strictly preparing the quantum states required in the MDI-QRNG scheme and performing security validation for the measurement devices in real-time, raw random numbers can be generated. With min-entropy evaluation to the QRNG, final MDI random numbers are extracted from the raw random data after post-processing. All the final random data can well pass the NIST randomness test items. Moreover, according to the experimental results, we are planning to develop an integrated prototype of the MDI-QRNG.

量子随机数发生器是量子通信系统中的关键器件，常规的量子随机数方案中的安全性是建立在器件安全可信的基础上。在现实条件下器件往往是不完美的，这样会导致量子随机数发生器存在潜在的安全隐患。本项目拟开展测量器件无关的量子随机数发生器的实验研究，该方案不仅能够先天免疫于任何针对测量器件的攻击，保证了量子随机数发生器的现实安全性。通过严格制备方案中所需的量子态，并实现对不可信的测量器件实时进行安全性校验，从而生成原始随机数。经过对系统的最小熵评估，通过后处理可从原始数据中有效提取出最终的测量器件无关的量子随机数，并且通过NIST随机数检验。此外，根据实验结果，本项目将会研制一台测量器件无关的量子随机数发生器原型样机。

量子随机数发生器是量子通信系统中的关键器件，其质量直接关乎到整个系统的安全。常规的量子随机数方案的安全性建立在器件安全可信的基础上。在现实条件下器件往往是不完美的，这样会导致量子随机数发生器存在潜在的安全隐患。在本项目的支持下，针对量子随机数发生器在现实条件下的安全性问题，开展了深入的系统性研究。. 在本项目实施过程中，通过对相关理论和实验方案进行深入的调查和比较，提出并实现了测量器件无关的量子随机数发生器，有效解决了现实条件下测量器件不完美对量子随机数产生所引起的最小熵估计错误以及由此带来的安全隐患；提出并实现了测量器件无关的量子相干性见证，阐明了量子随机性与量子相干性的关联，并演示了基于该方案的量子随机数实验，为量子相干性在量子信息领域的应用奠定了理论与实验基础；研制了符合彩票应用场景的量子随机数发生器样机，并在实际彩票应用场景中进行了相关业务测试。此外，本项目的量子随机数产生技术以及相关的高性能单光子探测技术在量子物理基础检验、在量子通信、量子网络、单光子激光雷达等领域中发挥重要作用。. 项目执行期间，项目负责人共在国际知名期刊如Nature（2篇）、Nature Photonics（3篇）、Physical Review Letters（4篇）、Optica（2篇）、Optics Letters、Optics Express、Photonics Research、Physical Review A、Review of Scientific Instruments等发表与项目研究内容相关的高质量SCI 论文26 篇，其中10 篇负责人为通讯作者，1篇为共同第一作者；共获得受理/授权专利14项，其中5项专利已授权。