量子隨機(jī)數(shù)的價(jià)值與挑戰(zhàn)

利用量子過程生成真正不確定的隨機(jī)數(shù)，對(duì)于密碼協(xié)議、安全應(yīng)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(jīng)典噪聲的影響，成為竊聽者潛在的信息來源。盡管相關(guān)竊聽攻擊已有較多理論研究，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍相對(duì)缺乏。

實(shí)驗(yàn)方案：構(gòu)建量子竊聽檢測(cè)系統(tǒng)

多特蒙德工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套精密的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以實(shí)際驗(yàn)證量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG）的竊聽風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)基于量子光學(xué)中的平衡零差探測(cè)技術(shù)。通過一個(gè)強(qiáng)激光（本地振蕩器）與一個(gè)極弱且相位隨機(jī)的信號(hào)光（熱光源）進(jìn)行干涉，測(cè)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(jī)性。

核心設(shè)備

光源系統(tǒng)：脈沖Ti:sapphire激光器（本地振蕩器，其脈沖持續(xù)時(shí)間約為120fs，重復(fù)頻率約為75.4MHz）與Toptica Dlpro連續(xù)波二極管激光器（熱光源，該激光器的工作狀態(tài)遠(yuǎn)低于閾值）。

信號(hào)處理鏈路：經(jīng)同相檢測(cè)器、濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓放大器逐級(jí)處理。

數(shù)據(jù)采集核心：采用德思特優(yōu)質(zhì)合作伙伴 Spectrum InstrumentationM4i.2234-x8 8Bit 5GS/s數(shù)字化儀，最終以每通道1.25 GS/s的采樣率完成高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)流程

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

2.信號(hào)探測(cè)與提取：兩束光在一個(gè)特制的同相檢測(cè)器中匯合并發(fā)生干涉，產(chǎn)生的光電流信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

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

4.核心數(shù)字化采集：處理后的模擬信號(hào)，最終由M4i.2234-x8高速數(shù)字化儀進(jìn)行采集，將其轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。關(guān)鍵的是，系統(tǒng)能以高采樣率同時(shí)記錄多通道數(shù)據(jù)并附加精確時(shí)間戳。

5.數(shù)據(jù)處理與安全分析：通過分析數(shù)字化后的數(shù)據(jù)（特別是正交分量的直方圖和時(shí)間戳信息），研究人員能夠重構(gòu)測(cè)量過程，并精確評(píng)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(jī)數(shù)生成系統(tǒng)的實(shí)際安全性。

M4i.2234-x8數(shù)字化儀的關(guān)鍵角色

在該研究中，數(shù)字化儀不僅負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集，其多通道同步與時(shí)間戳記錄能力構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)能同時(shí)記錄信號(hào)的正交直方圖，并為每個(gè)檢測(cè)事件打上精確時(shí)間戳。這使研究人員能夠進(jìn)行后驗(yàn)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(yōu)質(zhì)合作伙伴Spectrum Instrumentation 高速數(shù)字化儀

客戶價(jià)值：從理論到實(shí)證的安全評(píng)估

通過本次實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子隨機(jī)數(shù)生成器安全性的實(shí)證評(píng)估。高速、多維度數(shù)據(jù)采集將竊聽攻擊從理論模型轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)、可量化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為構(gòu)建真正安全的密碼學(xué)系統(tǒng)與量子通信協(xié)議提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

審核編輯 黃宇