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      量子隨機數生成技術發展研究及建議——《網絡安全技術和產業動態》總第35期

      2023-09-20

      摘自:《網絡安全技術和產業動態》2023年第5期,總第35期。


      量子隨機數生成技術是指基于量子力學原理來生成隨機數的技術。由于量子物理的內稟隨機性質,對量子隨機過程進行采集可以生成真隨機數,其隨機性是由量子力學隨機性原理保證的。量子隨機數生成技術基于量子力學的不確定性,既保證了生成的數值是真正的隨機數,又滿足了生成速度快,無需外部輸入的條件。

      目前已經出現了多種量子隨機數生成技術,能夠生成具有不可預測性、獨立性和無偏性等特征的高質量隨機數數字序列,可廣泛應用在金融、電信、科學研究等領域。


      0技術發展情況

      量子隨機數生成技術發展經歷了三個階段。

      最早的方法是基于單光子干涉實驗,通過將光子分為兩個路徑再重新合并,利用光子的干涉效應生成隨機數。但這種方法生成速度較慢。

      隨著技術的發展,研究人員提出了基于量子糾纏的隨機數生成方法。量子糾纏是一種特殊的量子態,其中兩個或多個粒子之間的狀態相互關聯。通過測量這些糾纏粒子的屬性,可以生成高質量的隨機數。然而,這種方法需要復雜的實驗裝置和技術。

      近年來,量子隨機數生成技術取得了重大突破。一方面,基于真空漲落的量子隨機數發生器被提出,通過應用真空漲落,可以大大提高產生速率。另一方面,基于激光器相位噪聲的量子隨機數發生器也被研究,將激光器相位噪聲應用于量子隨機數發生器可以顯著提高產生速率。



      0技術發展難點

      1.量子隨機數的提取量子隨機數是通過測量真空態的正則分量產生的。然而,由于真空噪聲的不確定性,提取這些隨機數是非常困難的。

      2.量子隨機數的輸出:量子隨機數需要能夠方便地轉換輸出給其他電路或系統使用。這需要具備確保隨機數安全性、可靠性和完整性的接口和協議。

      3.量子隨機數芯片化:量子隨機數生成器的芯片化是要在有限的芯片尺寸和功耗限制下實現高效的隨機數生成。必須考慮優化器件結構和電路布局,以及降低功耗和熱噪聲等問題。


      0技術產業落地情況

      量子隨機數芯片ID QuantiqueIDQ),全球量子安全解決方案的領導者,于2020年發布了量子隨機數發生器(QRNG)芯片。該芯片能夠生成真隨機數,為密碼學和其他安全應用提供了高安全級別的保護。

      SK電訊于2023年發布了量子密碼芯片,該芯片是IDQ和韓國安全公司KCS合作開發的,其超輕、低功耗的芯片為物聯網產品和設備提供安全支持,有助于保護整個物聯網生態系統的安全。

      北京中科國光量子科技有限公司研制成功真空噪聲相位量子隨機數芯片,速率可達50Gbps。該芯片能夠滿足信息安全領域對速率的要求,為加密通信、密碼學、隨機數生成等關鍵領域提供了強大的支持。

      2022年,國際咨詢機構ICV(International Cutting-edge-tech Vision)發布了《全球量子隨機數發生器的產業研究報告》,認為量子隨機數發生器應用范圍廣泛,其市場規模將隨著5G和物聯網的應用而爆發式增長,預計到2030年將超過200億美元;產品類型中芯片形態的將占到72.7%;產品供應商則主要分布在中國、英國、瑞士和美國。


      0意見和建議

      1.加大基礎研究投入和力度,以應對當前量子系統中存在的噪聲、干擾和誤差問題,重點解決量子系統的穩定性和可控性問題。

      2.加強產學研合作,鼓勵企業與科研機構聯合開展技術攻關和實用產品開發,推動量子隨機數技術在更廣泛領域商業化應用。

      3.加快量子技術及應用相關的法規政策和技術標準建設,推動量子技術理論研究和應用實踐。


      中國網絡安全產業聯盟(CCIA)主辦,北京中科國光量子科技有限公司供稿。


      2023年第5期(總第35期)專報主筆人證書圖片

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