基於單光子時空相關性的無光束分割器高比特率量子隨機數產生器

Centrala begrepp

利用自發參量下轉換過程產生的單光子時空相關性,設計無需光束分割器的高比特率量子隨機數產生器。

Sammanfattning

本文提出了一種新穎的量子隨機數產生器(QRNG)方案,利用自發參量下轉換(SPDC)過程產生的單光子的時間和空間相關性,無需使用傳統的光束分割器。

實驗中,使用20 mm長的週期性極化KTP晶體,泵浦光源為405 nm連續波激光器。SPDC光子在環形空間分布,由於動量匹配條件,光子對在環形分布的對角位置隨機產生,並表現出強烈的時間相關性。通過將環形分布分成4個部分,測量對角部分之間的同時計數,可以產生0和1的隨機比特序列。

通過最小熵評估,原始比特序列的熵值超過95%,可以高效提取真正的隨機比特。使用Toeplitz矩陣後處理,QRNG系統達到3 Mbps的比特率,通過NIST 800-22和TestU01統計測試。

該方案展示了通過進一步增加環形分布的部分數量(如8、16或32),可以進一步提高QRNG的比特率,實現多比特QRNG系統。這種無光束分割器的QRNG方案為實現高安全性的隨機數源提供了一種有前景的途徑。

Statistik

隨著泵浦功率從1 mW增加到17 mW,最小熵H∞(X)從99.4%降低到96.5%。
在17 mW泵浦功率下,原始比特序列的自相關係數最小值平均為10^-6,標準差為8.326 × 10^-6。

Citat

"利用SPDC過程產生的單光子時間和空間相關性,可以實現無需光束分割器的高比特率QRNG。"
"通過將SPDC環形分布分成多個部分,可以進一步提高QRNG的比特率,實現多比特QRNG系統。"

Viktiga insikter från

Beamsplitter-free, high bit-rate, quantum random number generator based on temporal and spatial correlations of heralded single-photons

by Ayan Kumar N... på arxiv.org 10-02-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.00440.pdf

Djupare frågor

如何進一步提高QRNG系統的比特率和安全性?

要進一步提高量子隨機數生成器（QRNG）系統的比特率和安全性，可以考慮以下幾個策略：

增加光源的亮度：使用更高亮度的單光子源，例如超導納米線單光子探測器（SNSPD），可以提高光子的檢測效率，從而增加比特率。

多段分割技術：如本文所述，將SPDC環進一步分割為更多的區域（例如8、16或32個部分），可以利用空間相關性來生成更多的隨機比特，從而提高整體比特率。

優化檢測窗口：調整時間檢測窗口的寬度，以平衡真實重合事件的檢測和避免假陽性，這樣可以提高檢測的準確性和效率。

後處理技術：使用更高效的隨機性提取算法，如Toeplitz矩陣，來提高從原始比特中提取的隨機比特的質量和數量。

量子密碼學的應用：將QRNG生成的隨機數用於量子密碼學中，通過量子密鑰分發（QKD）等技術，進一步增強系統的安全性。

這些方法不僅能提高QRNG的比特率，還能增強其在安全性方面的表現，確保生成的隨機數具有高質量和不可預測性。

如何將本文提出的QRNG方案應用於其他量子信息處理領域?

本文提出的QRNG方案可以在多個量子信息處理領域中得到應用，具體包括：

量子密碼學：QRNG生成的隨機數可以用於量子密鑰分發（QKD），提供安全的密鑰生成，確保通信的安全性。

量子計算：在量子計算中，隨機數可以用於隨機化算法，增強計算的效率和安全性，特別是在量子算法中需要隨機選擇的情況下。

量子通信：在量子通信系統中，QRNG可以用於生成隨機信號，增強信號的安全性和不可預測性，從而提高通信的可靠性。

量子測量：在量子測量中，隨機數可以用於隨機化測量過程，從而提高測量的準確性和可靠性。

量子隨機行走：QRNG可以用於量子隨機行走的模擬，這在量子物理和量子計算中具有重要的應用。

這些應用展示了QRNG在量子信息處理中的潛力，能夠為各種量子技術提供高質量的隨機數據支持。

SPDC過程中單光子的時空相關性是否可以應用於其他量子技術,如量子傳感或量子通信?

是的，SPDC過程中單光子的時空相關性可以應用於多種其他量子技術，包括：

量子傳感：利用單光子的時空相關性，可以提高量子傳感器的靈敏度和準確性。例如，通過使用量子干涉效應，可以增強對微小變化的檢測能力，這在重力波探測和生物傳感中具有重要意義。

量子通信：在量子通信中，單光子的時空相關性可以用於提高信號的安全性和可靠性。通過利用量子糾纏和相關性，可以實現更安全的通信協議。

量子成像：在量子成像技術中，利用單光子的時空相關性可以提高成像的解析度和對比度，特別是在低光環境下的成像應用。

量子計算：在量子計算中，單光子的時空相關性可以用於量子位的操作和控制，從而提高量子計算的效率和準確性。

量子隨機數生成：除了QRNG，單光子的時空相關性還可以用於其他隨機數生成技術，進一步增強隨機數的質量和安全性。

這些應用表明，SPDC過程中單光子的時空相關性在多個量子技術領域中具有廣泛的應用潛力，能夠促進量子技術的發展和應用。