基于時(shí)分復(fù)用光學(xué)參量振蕩器的5比特全光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

2023年11月，北京玻色量子科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“玻色量子”）聯(lián)合天津大學(xué)在學(xué)術(shù)期刊《Optics Express》上發(fā)表了以“5-bit all-optical quantum random number generator based on atime-multiplexed optical parametric oscillator”（基于時(shí)分復(fù)用光學(xué)參量振蕩器的5比特全光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器）為題的學(xué)術(shù)論文。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)研制出一種基于時(shí)分復(fù)用簡(jiǎn)并點(diǎn)飛秒光學(xué)參量振蕩器，具備高重復(fù)頻率飛秒光纖激光器泵浦，通過(guò)在諧振腔中接入多通單元，能高效拓展光路，實(shí)現(xiàn)5比特全光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，并能保持系統(tǒng)高度的緊湊性和穩(wěn)定性。

目前，隨機(jī)數(shù)作為重要的基礎(chǔ)資源，在科學(xué)計(jì)算、密碼學(xué)、通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)原理，將產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的工具分為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。其中，20世紀(jì)60年代量子理論的興起為真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生提供了全新的助力，光量子中的隨機(jī)特性是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的完美來(lái)源，真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器因此得到飛速發(fā)展。 而飛秒光學(xué)參量振蕩器依賴(lài)參量過(guò)程，通過(guò)簡(jiǎn)并點(diǎn)獨(dú)特的二值相位分布特性，不需要繁瑣的后處理工作，即可生成真隨機(jī)數(shù)，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔，近年來(lái)引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，該方法中隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生比特?cái)?shù)受到腔內(nèi)信號(hào)光循環(huán)時(shí)間的限制，被局限在單比特輸出，如何進(jìn)一步提升比特?cái)?shù)，以滿足更加廣泛的應(yīng)用需求是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

由于量子效應(yīng)的不確定性和不可預(yù)測(cè)性，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的“新標(biāo)準(zhǔn)”脫穎而出。在過(guò)去的數(shù)十年里，人們?cè)O(shè)計(jì)并提出了各種類(lèi)型的QRNG，然而在大多數(shù)方案中，繁瑣的后處理工作使實(shí)際系統(tǒng)復(fù)雜化，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。通常，選擇隨機(jī)數(shù)提取方法來(lái)消除經(jīng)典噪聲，保證狀態(tài)的純度是最重要的，這促使聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)獨(dú)立于后處理方案的QRNG系統(tǒng)。

此前，簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器（DOPO）產(chǎn)生了多種有趣的非線性動(dòng)力學(xué)行為，如時(shí)間模擬、相變和耗散二次孤子，從應(yīng)用角度來(lái)看，基于二階非線性過(guò)程的DOPOs已被證明能以一種巧妙的全光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和相干伊辛機(jī)。

論文中，研究團(tuán)隊(duì)證明了在DOPO腔中插入多通道單元（MPC）會(huì)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用DOPO，從而產(chǎn)生5比特字符串隨機(jī)數(shù)。泵浦激光器設(shè)置50 MHz重復(fù)頻率，DOPO脈沖在～15m等效線性腔中共振，設(shè)計(jì)精密。在研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，5個(gè)時(shí)間多路OPO（光學(xué)參量振蕩器）脈沖位于標(biāo)記的兩種可能相位態(tài)中的一個(gè)；當(dāng)增加泵功率超過(guò)閾值時(shí)，數(shù)據(jù)流是通過(guò)干擾DOPO脈沖與基本的泵浦脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不需要額外的比特提取。由于二元相以真空波動(dòng)的形式出現(xiàn)在非線性晶體中，輸出呈現(xiàn)不可預(yù)測(cè)性。通過(guò)分析1200比特測(cè)量值的分布，由于具備全光特性，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)高速、能量生成和位值可擴(kuò)展的隨機(jī)數(shù)生成的能力。

(a)所提出的QRNG的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。DOPO包括在空腔內(nèi)循環(huán)的5個(gè)信號(hào)脈沖。利用邁克爾遜干涉儀測(cè)量了DOPO輸出脈沖和基本泵浦脈沖的相對(duì)相位態(tài)。DM：二向色鏡面（HR 515，AR 1030），HWP：半波板，M：鏡面，MPC：多通單元，OC：輸出耦合器，BS：分束器，PD：光電探測(cè)器，(b)泵浦和DOPO的脈沖序列說(shuō)明，其中OPO腔往返時(shí)間是泵浦振蕩器腔的5倍。

OPO輸出光在簡(jiǎn)并點(diǎn)和非簡(jiǎn)并點(diǎn)的狀態(tài)隨腔體長(zhǎng)度的變化而變化。(a)-(c)表示非簡(jiǎn)并譜；(d)表示接近簡(jiǎn)并狀態(tài)；(e)簡(jiǎn)并DOPO的輸出譜。

(a)DOPO輸出功率穩(wěn)定性試驗(yàn)。紅線表示10分鐘以上的平均功率。(b)輸出信號(hào)（藍(lán)線）和基礎(chǔ)泵（紅線）的頻譜。

在2 kHz的斬波頻率下測(cè)量的隨機(jī)數(shù)序列

基于簡(jiǎn)并OPO的全光學(xué)RNG的時(shí)域測(cè)量。(a)-(f)表示在DOPO中通過(guò)打開(kāi)-“打開(kāi)” 和“關(guān)閉”系統(tǒng)的不同輸出結(jié)果，并伴隨著一個(gè)10 kbps的時(shí)鐘信號(hào)?！?”和“1”對(duì)應(yīng)于干擾的強(qiáng)度。

QRNG不同結(jié)果選項(xiàng)的條件概率。樣本量為1200比特，綠線表示理想值中的條件概率值情況插入：分別由藍(lán)色和紅色區(qū)域表示的序列中位值為0和1的概率。

隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生是通過(guò)用光電探測(cè)器測(cè)量信號(hào)與泵浦之間的干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它不需要大量的后處理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性；比特值分布和條件概率的檢驗(yàn)都表明了所提出的QRNG具有良好的無(wú)偏性能。

由于QRNG比特序列與在DOPO腔中循環(huán)的脈沖數(shù)直接相關(guān)，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)期望通過(guò)擴(kuò)展自研DOPO方法，可以進(jìn)一步擴(kuò)展光學(xué)比特序列。例如，通過(guò)增加泵浦重復(fù)頻率和腔長(zhǎng)，使諧振器中的脈沖數(shù)倍增，有望實(shí)現(xiàn)更高的比特率。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用1 GHz 激光摻雜系統(tǒng)作為泵浦源時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)100比特。在當(dāng)前1 GHz比特率的方案中，比特序列可以擴(kuò)展20倍。此外，研究團(tuán)隊(duì)還可以通過(guò)使用更快的光調(diào)制器控制DOPO，以超過(guò)1 MHZ的頻率刷新比特序列。未來(lái)，這項(xiàng)工作將激發(fā)新型多比特光學(xué)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究進(jìn)展，并進(jìn)一步促進(jìn)其在光學(xué)計(jì)算、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅