量子隨機數的價值與挑戰

利用量子過程生成真正不確定的隨機數，對于密碼協議、安全應用或蒙特卡洛模擬等具有重要意義。然而，這一過程可能受到經典噪聲的影響，成為竊聽者潛在的信息來源。盡管相關竊聽攻擊已有較多理論研究，但實驗驗證仍相對缺乏。

實驗方案：構建量子竊聽檢測系統

多特蒙德工業大學的研究團隊設計了一套精密的實驗系統，以實際驗證量子隨機數生成器（QRNG）的竊聽風險。

實驗原理

實驗基于量子光學中的平衡零差探測技術。通過一個強激光（本地振蕩器）與一個極弱且相位隨機的信號光（熱光源）進行干涉，測量其光電流的量子漲落（散粒噪聲），以此提取真正的量子隨機性。

核心設備

光源系統：脈沖Ti:sapphire激光器（本地振蕩器，其脈沖持續時間約為120fs，重復頻率約為75.4MHz）與Toptica Dlpro連續波二極管激光器（熱光源，該激光器的工作狀態遠低于閾值）。

信號處理鏈路：經同相檢測器、濾波網絡、電壓放大器逐級處理。

數據采集核心：采用德思特優質合作伙伴 Spectrum InstrumentationM4i.2234-x8 8Bit 5GS/s數字化儀，最終以每通道1.25 GS/s的采樣率完成高精度模數轉換。

實驗流程

1.光源準備：兩束波長相同（830 nm）的激光被制備好——一束是強且穩定的脈沖激光（本地振蕩器），另一束是極弱的連續激光（熱光源），兩者相位互不鎖定。

2.信號探測與提取：兩束光在一個特制的同相檢測器中匯合并發生干涉，產生的光電流信號被轉換為電壓信號。

3.信號凈化與放大：電壓信號先后經過濾波（濾除干擾頻率）和放大，以提高信噪比和測量精度。

4.核心數字化采集：處理后的模擬信號，最終由M4i.2234-x8高速數字化儀進行采集，將其轉換為高精度的數字數據。關鍵的是，系統能以高采樣率同時記錄多通道數據并附加精確時間戳。

5.數據處理與安全分析：通過分析數字化后的數據（特別是正交分量的直方圖和時間戳信息），研究人員能夠重構測量過程，并精確評估潛在的竊聽者（Eve）可能從中獲取多少額外信息，從而定量分析該量子隨機數生成系統的實際安全性。

M4i.2234-x8數字化儀的關鍵角色

在該研究中，數字化儀不僅負責高速數據采集，其多通道同步與時間戳記錄能力構成了實驗的獨特優勢。系統能同時記錄信號的正交直方圖，并為每個檢測事件打上精確時間戳。這使研究人員能夠進行后驗分析，精確量化竊聽者在理論上可能獲取的額外信息量。

德思特優質合作伙伴Spectrum Instrumentation 高速數字化儀

客戶價值：從理論到實證的安全評估

通過本次實驗，研究團隊實現了對量子隨機數生成器安全性的實證評估。高速、多維度數據采集將竊聽攻擊從理論模型轉化為可觀測、可量化的實驗結果，為構建真正安全的密碼學系統與量子通信協議提供了關鍵的實驗依據和數據支撐。

審核編輯 黃宇