2023年11月，北京玻色量子科技有限公司（以下簡稱“玻色量子”）聯(lián)合天津大學在學術(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”（基于時分復用光學參量振蕩器的5比特全光量子隨機數(shù)發(fā)生器）為題的學術(shù)論文。

聯(lián)合研究團隊研制出一種基于時分復用簡并點飛秒光學參量振蕩器，具備高重復頻率飛秒光纖激光器泵浦，通過在諧振腔中接入多通單元，能高效拓展光路，實現(xiàn)5比特全光量子隨機數(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，隨機數(shù)作為重要的基礎(chǔ)資源，在科學計算、密碼學、通信等領(lǐng)域有著重要的應用價值。根據(jù)產(chǎn)生隨機數(shù)原理，將產(chǎn)生隨機數(shù)的工具分為偽隨機數(shù)發(fā)生器和真隨機數(shù)發(fā)生器。其中，20世紀60年代量子理論的興起為真隨機數(shù)的產(chǎn)生提供了全新的助力，光量子中的隨機特性是隨機數(shù)發(fā)生器的完美來源，真隨機數(shù)發(fā)生器因此得到飛速發(fā)展。 而飛秒光學參量振蕩器依賴參量過程，通過簡并點獨特的二值相位分布特性，不需要繁瑣的后處理工作，即可生成真隨機數(shù)，且結(jié)構(gòu)較為簡潔，近年來引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，該方法中隨機數(shù)產(chǎn)生比特數(shù)受到腔內(nèi)信號光循環(huán)時間的限制，被局限在單比特輸出，如何進一步提升比特數(shù)，以滿足更加廣泛的應用需求是一個急需解決的問題。

由于量子效應的不確定性和不可預測性，量子隨機數(shù)發(fā)生器（QRNG）作為隨機數(shù)發(fā)生器的“新標準”脫穎而出。在過去的數(shù)十年里，人們設(shè)計并提出了各種類型的QRNG，然而在大多數(shù)方案中，繁瑣的后處理工作使實際系統(tǒng)復雜化，這給實際應用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。通常，選擇隨機數(shù)提取方法來消除經(jīng)典噪聲，保證狀態(tài)的純度是最重要的，這促使聯(lián)合研究團隊提出一個獨立于后處理方案的QRNG系統(tǒng)。

此前，簡并光學參量振蕩器（DOPO）產(chǎn)生了多種有趣的非線性動力學行為，如時間模擬、相變和耗散二次孤子，從應用角度來看，基于二階非線性過程的DOPOs已被證明能以一種巧妙的全光學方式實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器和相干伊辛機。

論文中，研究團隊證明了在DOPO腔中插入多通道單元（MPC）會實現(xiàn)時分多路復用DOPO，從而產(chǎn)生5比特字符串隨機數(shù)。泵浦激光器設(shè)置50 MHz重復頻率，DOPO脈沖在～15m等效線性腔中共振，設(shè)計精密。在研究團隊設(shè)計的系統(tǒng)中，5個時間多路OPO（光學參量振蕩器）脈沖位于標記的兩種可能相位態(tài)中的一個；當增加泵功率超過閾值時，數(shù)據(jù)流是通過干擾DOPO脈沖與基本的泵浦脈沖來實現(xiàn)的，不需要額外的比特提取。由于二元相以真空波動的形式出現(xiàn)在非線性晶體中，輸出呈現(xiàn)不可預測性。通過分析1200比特測量值的分布，由于具備全光特性，該系統(tǒng)具有實現(xiàn)高速、能量生成和位值可擴展的隨機數(shù)生成的能力。

(a)所提出的QRNG的實驗設(shè)置。DOPO包括在空腔內(nèi)循環(huán)的5個信號脈沖。利用邁克爾遜干涉儀測量了DOPO輸出脈沖和基本泵浦脈沖的相對相位態(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：光電探測器，(b)泵浦和DOPO的脈沖序列說明，其中OPO腔往返時間是泵浦振蕩器腔的5倍。

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

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

在2 kHz的斬波頻率下測量的隨機數(shù)序列

基于簡并OPO的全光學RNG的時域測量。(a)-(f)表示在DOPO中通過打開-“打開” 和“關(guān)閉”系統(tǒng)的不同輸出結(jié)果，并伴隨著一個10 kbps的時鐘信號。“0”和“1”對應于干擾的強度。

QRNG不同結(jié)果選項的條件概率。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：分別由藍色和紅色區(qū)域表示的序列中位值為0和1的概率。

隨機數(shù)的產(chǎn)生是通過用光電探測器測量信號與泵浦之間的干涉來實現(xiàn)的，它不需要大量的后處理，簡化了系統(tǒng)的復雜性；比特值分布和條件概率的檢驗都表明了所提出的QRNG具有良好的無偏性能。

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)合研究團隊期望通過擴展自研DOPO方法，可以進一步擴展光學比特序列。例如，通過增加泵浦重復頻率和腔長，使諧振器中的脈沖數(shù)倍增，有望實現(xiàn)更高的比特率。簡單來說，當使用1 GHz 激光摻雜系統(tǒng)作為泵浦源時，可以實現(xiàn)多達100比特。在當前1 GHz比特率的方案中，比特序列可以擴展20倍。此外，研究團隊還可以通過使用更快的光調(diào)制器控制DOPO，以超過1 MHZ的頻率刷新比特序列。未來，這項工作將激發(fā)新型多比特光學隨機數(shù)發(fā)生器的研究進展，并進一步促進其在光學計算、光學數(shù)據(jù)存儲和量子信息科學等領(lǐng)域的實際應用。

審核編輯：湯梓紅