Quantum random number generation using spatial quantum noise of light
本文提出了一种鲁棒的量子随机数生成器，该生成器利用高速电子倍增 CCD 捕获的相干光空间量子噪声，实现了 5.92 Gbps 的瞬时比特生成速率，同时由于电子读取带宽的限制，持续输出速率维持在 7.5 Mbps，并成功通过了严格的随机性统计测试。
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想象一下，你正试图为一个秘密代码（比如数字保险箱的组合）挑选一个真正随机的数字。如果你要求计算机去做这件事，它实际上只是在遵循一个隐藏的配方；这是一个“伪随机”生成器，看起来是随机的，但如果有人破解了那个配方，它就可能被攻破。如果你要求一台普通机器去测量热量或静电，效果会更好，但它仍然受制于经典物理学中可预测的定律。但如果你能接入宇宙本身的“漏洞”呢？在量子物理的世界里，存在着一条基本规则：自然界在极微小的尺度上是模糊的。即使是一束完美的平滑光束，实际上也并不平滑；它是由以一种抖动且不可预测的节奏到达的微小能量包组成的。这被称为“量子噪声”或“散粒噪声”。这是宇宙在每次探测到光子（光的粒子）时掷骰子的方式。因为这种抖动是内置于现实结构的之中，所以它无法被预测，也无法被伪造。这使得它成为了保护我们的银行账户、私人信息和国家机密免受黑客攻击的终极来源，也是真正的随机性的金标准。
现在，由印度空间科学与技术学院的研究人员进入视野，他们建造了一台聪明的机器来捕捉这种宇宙层面的抖动，并将其转化为高速的随机数流。他们没有尝试一次只捕捉一个微小的光子（这既慢又困难），而是决定同时观察全局。他们将一束激光分成两路，并将其照射到一个名为 EMCCD 的高速特殊相机上。不要把这个相机仅仅看作是一个拍摄单张照片的设备，而要把它看作是一个由数百万个微小“水桶”组成的巨大网格，每个水桶都在等待着接住一波光线的溅射。当激光击中相机时，“量子抖动”会导致光线不均匀地溅落在这些水桶中。有些水桶接到的稍多一些，有些则稍少一些，这纯粹是由于偶然。
该团队的大招是连续快速地拍摄两张这种溅射光线的快照，然后用第一张图片减去第二张图片。由于激光束是稳定的，因此“平均”溅射量会相互抵消，剩下的只有纯粹且混沌的量子噪声——这就像是无线电中那种无法被调频掉的静电噪声。随后，他们将这种嘈杂的静电转换成由 0 和 1 组成的序列。结果令人印象深刻：在不到一秒的时间内，他们的系统就能以 5.92 Gbps（千兆比特每秒）的速度生成随机数。这就像是在眨眼之间填满一座随机代码组成的图书馆。然而，相机的内部布线是一个瓶颈；为了保持低噪声，它只能以 7.5 Mbps（兆比特每秒）的稳定速度读取数据。即便是在这个“较慢”的速度下，他们生成的数字也通过了安全专家使用的所有严格统计测试（如 NIST 和 Diehard 测试），证明了这些数字是真正不可预测且没有任何隐藏模式的。通过利用光在整个相机传感器上的空间“模糊性”，他们创造了一种稳健且高速的方式来收获宇宙自身的随机性，为未来的安全通信提供了一个强大的新工具。
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