基于实际光源的半设备无关量子随机数发生器研究

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如今,随机数在算法、仿真与计算机科学等领域发挥着举足轻重的作用,所以如何生成高速率、性能优越的随机数成为了非常重要的科学问题。目前利用计算机产生的随机数,由给定的算法和种子确定。尽管输出的随机数序列能够通过各种随机性检测程序,但原则上该类随机数是可以被预测的,被称为是伪随机数。随着量子信息技术的发展,我们发现可以通过量子力学所具有的内在不确定性来生成量子随机数,这种方案被称为量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)。在QRNG协议中半设备无关量子随机数发生器(Semi-device-independent Quantum Random Number Generator,SDI-QRNG)因其只需对设备作简单的假设即可达到较好的随机数性能而得到广泛而深入的研究。但是目前的SDIQRNG协议大部分都是假定使用单光子源来生成随机数的,而众所周知,在当前技术下并不存在理想单光子源,因而可能成为制约量子随机数发生器走向实用化的问题之一。针对以上问题,本文主要研究基于实际光源的SDI-QRNG协议,主要内容包括:1.基于弱相干态光源(Weak Coherent Source,WCS)的QRNG。我们主要研究了基于WCS的QRNG方案,相比传统的QRNG方案,首次提出了使用诱骗态方法来估算量子随机数的生成速率。本方案通过使用三强度诱骗态协议,来精确地估计有效单光子事件的上限和下限,进而估算测量结果最小熵的大小,最终估算出量子随机数的产生速率。2.基于标记单光子源(Heralded Single-Photon Source,HSPS)的测量设备无关QRNG。我们提出了基于HSPS光源的测量设备无关QRNG方案,通过建模分析,同时结合三强度诱骗态方法来计算生成量子随机数的大小。本方案假设测量设备不可信,使用HSPS光源来生成随机数,并考虑有限长效应的影响。仿真结果表明本方案相比基于弱相干光源的量子随机数发生器能够容忍更高的信道损耗。3.在本文中提到的两种新型半设备无关量子随机数发生器,本文都将考虑实际中只能发送有限个数脉冲的情况,即有限长效应对可提取随机性的影响。其核心思想是通过优化与随机性大小相关的参数值来获得尽可能大的随机性。
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