2023年11月，北京玻色量子科技有限公司（以下簡稱“玻色量子”）聯合天津大學在學術期刊《Optics Express》上發表了以“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發生器）為題的學術論文。

聯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5比特全光量子隨機數發生器，并能保持系統高度的緊湊性和穩定性。

目前，隨機數作為重要的基礎資源，在科學計算、密碼學、通信等領域有著重要的應用價值。根據產生隨機數原理，將產生隨機數的工具分為偽隨機數發生器和真隨機數發生器。其中，20世紀60年代量子理論的興起為真隨機數的產生提供了全新的助力，光量子中的隨機特性是隨機數發生器的完美來源，真隨機數發生器因此得到飛速發展。 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，且結構較為簡潔，近年來引發了廣泛關注。然而，該方法中隨機數產生比特數受到腔內信號光循環時間的限制，被局限在單比特輸出，如何進一步提升比特數，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，量子隨機數發生器（QRNG）作為隨機數發生器的“新標準”脫穎而出。在過去的數十年里，人們設計并提出了各種類型的QRNG，然而在大多數方案中，繁瑣的后處理工作使實際系統復雜化，這給實際應用帶來了巨大的挑戰。通常，選擇隨機數提取方法來消除經典噪聲，保證狀態的純度是最重要的，這促使聯合研究團隊提出一個獨立于后處理方案的QRNG系統。

此前，簡并光學參量振蕩器（DOPO）產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真隨機數發生器和相干伊辛機。

論文中，研究團隊證明了在DOPO腔中插入多通道單元（MPC）會實現時分多路復用DOPO，從而產生5比特字符串隨機數。泵浦激光器設置50 MHz重復頻率，DOPO脈沖在～15m等效線性腔中共振，設計精密。在研究團隊設計的系統中，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中的一個；當增加泵功率超過閾值時，數據流是通過干擾DOPO脈沖與基本的泵浦脈沖來實現的，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在非線性晶體中，輸出呈現不可預測性。通過分析1200比特測量值的分布，由于具備全光特性，該系統具有實現高速、能量生成和位值可擴展的隨機數生成的能力。

(a)所提出的QRNG的實驗設置。DOPO包括在空腔內循環的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。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；(e)簡并DOPO的輸出譜。

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

在2 kHz的斬波頻率下測量的隨機數序列

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“關閉”系統的不同輸出結果，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域表示的序列中位值為0和1的概率。

隨機數的產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的，它不需要大量的后處理，簡化了系統的復雜性；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腔中循環的脈沖數直接相關，聯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倍增，有望實現更高的比特率。簡單來說，當使用1 GHz 激光摻雜系統作為泵浦源時，可以實現多達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，這項工作將激發新型多比特光學隨機數發生器的研究進展，并進一步促進其在光學計算、光學數據存儲和量子信息科學等領域的實際應用。

審核編輯：湯梓紅