英国研究人员利用硅光子学研发出量子随机数发生器

据麦姆斯咨询报道，一款采用芯片技术的器件面积仅1平方毫米，却具有在最低功耗水平下以每秒吉字节（Gb／s）的速度产生量子随机数的潜力。由硅光子学实现的微型器件可以在诸如笔记本电脑和智能手机等设备中独立存在或内置于器件，完成实时数据加密。

英国布里斯托大学的研究人员展示了一种随机数发生器，基于二极管激光器随机发射的光子。因为来自激光器的光子发射本质上是随机的，所以不可能预测将产生的数量。量子随机数发生器（QRNG）的其它所需光学元件均集成在毫米级尺寸绝缘衬底上的硅（SOI）芯片上。

研究人员研发出的采用芯片技术的器件，面积仅1平方毫米，以Gb／s的速度产生量子随机数。如下图，这颗位于一便士硬币右边的器件却包括了随机数发生器的所有光学元件。该装置利用干涉仪将发射的光子转换成光功率。集成到芯片中的微型光电探测器检测光功率并将其转换成可产生随机数的电压。

研究人员称，实际上只有少量的光子能够到达光电探测器，大部分光子在芯片内部就损耗了。为了减轻这种影响，研究人员优化了参数并设计了低噪声电子器件来检测芯片内部的光信号。

出于测试的目的，研究人员采用晶圆代工厂的半导体技术制造随机数发生器芯片，并在获得芯片的光学和电学性能参数之后，再使用其来产生随机数。他们估算潜在的随机数生成效率可接近2．8 Gb／s，这个速度非常快，足以实现实时加密。

研究员Francesco Raffaelli谈到，这款随机数发生器的功耗只有其他基于芯片的量子随机数发生器器件的十分之一。

相比使用体光学（bulk optics）技术的同类器件，这款新器件更易便携，也更稳定，部分原因归功于微型芯片的温度等因素更容易控制。使用半导体制造技术，而不是bulk optics技术，更容易精确地复制数千颗相同的芯片。

研究人员使用光学平台所需的外部激光器、电子器件、测量工具展示QRNG。他们正在创造尺寸与移动电话相当，包括光学元件和必要的电子芯片的便携式装置。研究小组认为，更复杂的系统完成更高的集成度将有可能，信心来自于器件尺寸、简单易用性、鲁棒性和低功耗操作等优点，以及越来越多的行业采用硅光子器件。

研究小组称其研发的QRNG可以直接集成到硅基器件中，比如量子密钥分发（QKD）系统。团队相信，QRNG还能找到其他应用，满足SOI器件对低冲击率、高随机数源的需求。

“虽然电子控制部分尚不完整，我们已经把器件设计所需的所有光学元件集成在一颗芯片上，”Raffaelli说，“单独使用该器件或将其集成到其他便携装置，在未来保护信息安全和个人隐私方面都会发挥重大的作用。”