Квантовые генераторы случайных чисел (КГСЧ) производят подлинную случайность на основе непредсказуемости, присущей квантовой механике. Они имеют важное применение в задачах квантовой обработки информации и вычислений. На практике любое несовершенство или неточная характеристика квантовых устройств-источников в реальной реализации сильно влияет на безопасность и скорость генерации QRNG, и даже может привести к исчезновению квантовой случайности.
QRNG, независимые от источника (source-device-independent, source-DI), работают с ненадежными источниками, но хорошо охарактеризованными измерительными устройствами, чтобы положительно решить эти проблемы.
Как сообщается в журнале Advanced Photonics, исследователи из Нанкинского университета недавно предложили и экспериментально продемонстрировали безопасный и быстрый протокол QRNG с источником-DI, который прост и эффективен для практической реализации. В данной работе протокол QRNG источник-DI реализован с помощью технологии однофотонного детектирования с использованием запутанных фотонов.
Случайные числа извлекаются процессом, который измеряет время прибытия фотона из пары фотонов, запутанных по энергии времени. Пары фотонов, запутанных по энергии времени, образуются в процессе спонтанного параметрического преобразования вниз (SPDC).
Исследователи смогли подтвердить безопасность схемы, подтвердив запутанность энергии времени наблюдением нелокальной отмены дисперсии. Для повышения безопасности они используют модифицированное соотношение энтропийной неопределенности для количественной оценки случайности, принимая во внимание хорошо известную проблему конечного диапазона измерений.
Они сообщают о безопасной скорости генерации случайных битов на уровне 4 мегабит в секунду (Мбит/с), что, как они отмечают, может достичь уровня гигабит в секунду с помощью усовершенствованных однофотонных детекторов, учитывая их более высокую скорость обнаружения и более низкое временное разрешение. Основанный на волноводе PPLN источник SPDC, реализованный ими источник-DI QRNG может быть далее разработан как интегрированное устройство масштаба чипа путем изучения методов генерации, манипуляции и обнаружения фотонов на кристалле.
По словам соответствующего автора Янь-Сяо Гуна, профессора Нанкинского университета: «По сравнению с несколькими существующими полу-DI QRNG, в нашей работе достигнут отличный баланс между безопасностью, скоростью и практичностью». Он добавляет: «Это исследование прокладывает путь к практическому применению безопасных квантовых информационных задач и способствует развитию высокопроизводительных и высокозащищенных квантовых генераторов случайных чисел».