在近日发表于《应用物理快报》上的一篇文章中，我国科学家展示了迄今为止最快的实时量子随机数发生器（QRNG），且这款装置具有足够便携性。据悉，基于非量子方案的随机数发生器，其实算不上是真正的随机。不过此前只有体型相当庞大、且速度相对较慢的量子随机数发生器，才能达到与量子物理基本定律相当的随机性水平。
研究配图 - 1：混合光子芯片的结构和制造（来自：Applied Physics Letters）
为此，世界各地的研究团队，都在努力寻求让这些装置运行更快、且更便携的方法。而本文介绍的，就是 Jun Zhang 团队打造的只有指尖大小的集成光子芯片，其随机数输出的速度是传统 QRNG 的两倍多。
这款装置结合了最先进的光子集成芯片、以及优化的实时后处理技术，并将之用于从真空态的量子熵源中提取随机性。
研究配图 - 2：QRNG 模块封装与功能示意
论文作者 Jun Zhang 表示：“新型集成量子光子技术在缩减 QRNG 装置尺寸方面表现出了显著的优势，我们在这项工作中进一步证明了该技术可用于超快、且实时的量子随机数生成”。
相比之下，当前大多数 QRNG 都使用了单独的光子与电子元件。想要将此类元件集成到一个芯片中，仍是一项艰巨的挑战。
Jun Zhang 补充道：“量子随机数具有不可预测、不可再现、以及无偏等特性，因其随机性源于量子物理学的内在不确定性”。
研究配图 - 3：不同振荡器等效功率设置下的 HPF 输出 / 平均功率谱密度
在这项新研究中，团队在芯片上使用了铟锗砷化光电二极管、集成在硅光子芯片上的跨阻抗放大器、以及多个耦合器和衰减器。
结合了这些组件，使得 QRNG 能够检测来自量子熵源的信号，并具有显着改善的频率响应。
Jun Zhang 指出：“在这项工作中，最让我们感到惊讶的一点，莫过于光子集成芯片的高频响应性能竟然优于预期”。
研究配图 - 4：原始随机数据的自相关系数计算
一旦检测到随机信号，它们就会被现场可编程逻辑门阵列（FPGA）处理，并从原始数据中提取真正的随机数。
最终让 QRNG 装置达成接近 19 Gbps 的量子随机数生成速率，然后可通过光缆，将之发送到任意计算机上。
目前该研究团队已将芯片尺寸缩减到 15.6×18 毫米，明显小于当前大多数的 QRNG 模块或仪器。
展望未来，研究团队希望打造出更加快速且紧凑的设备，为更加实用的 QRNG 解决方案铺平道路。