研究人员开发出一种可自检硬件以确保安全随机数生成的量子芯片。

新加坡国立大学的研究人员开发出一款量子随机数发生器芯片，它能在生成随机数的同时验证自身硬件的完整性，从而解决数字加密系统中长期存在的安全挑战。

随机数对于加密密钥、安全交易、数字签名等网络安全应用至关重要。现有的随机数发生器，包括量子版本，都需要用户相信其硬件组件会持续按预期运行。一旦某个组件退化或遭到篡改，输出就可能变得可预测，而这一切并不会被察觉。

这款新芯片的设计目标是通过在运行期间持续检查测量硬件是否按预期工作，来消除这一风险。

该研究团队由新加坡国立大学电气与计算机工程系的 Charles Lim 副教授领导。他们表示，这种方法可以增强从金融、医疗到人工智能和互联设备等各个领域的安全性。

消除硬件信任

大多数量子随机数发生器都基于研究人员所说的“可信设备模型”运行。在这种模式下，激光器、调制器和探测器等组件被假定在整个使用周期内都符合规格。

而这款新芯片则采用了一种测量设备无关协议。这意味着用户只需信任进入系统的量子光信号，而非负责测量它们的探测器。

运行期间，芯片会生成已知的量子光态，并将探测器的响应与量子理论的预测进行比较。若结果符合预期，系统便将数据转换为经认证的随机数；否则，该过程会自动停止。

“量子随机数发生器中的测量单元历来极难表征，导致其实际可靠性难以保证。我们的方案消除了信任该单元在使用期间按规范运行的必要。”Charles Lim 副教授说道。

该器件将信号编码器和光学探测器集成在单个硅芯片上，采用半导体生产中常用的8英寸晶圆工艺制造。与某些量子技术不同，它可以在室温下运行，无需低温冷却。

研究人员还解决了硅基光调制器带来的一个难题。调节光的相位可能无意中改变其亮度，从而影响安全性。团队开发出一种控制方法，能够补偿这一效应并保持稳定的光信号。

安全优先于速度

该芯片的探测器实现了69.1%的总效率，超过了协议67%的最低要求。测试还表明，系统生成的经认证随机比特数超过了作为输入种子所消耗的比特数，证实其能够产生新鲜的随机性。

研究人员将该器件描述为迄今为止展示过的最安全的量子随机数发生器芯片。其安全分析假设了最坏情形，即攻击者可能与探测器本身拥有量子关联。

这种安全水平也伴随着取舍。目前的实验系统每秒产生64比特，远慢于那些速率可超过每秒100吉比特的传统量子随机数发生器。

研究团队相信，通过更先进的探测器技术，性能可以大幅提升。团队研发的实验室光电二极管效率已达到92.4%，而模拟显示，未来版本的芯片有望实现68兆比特每秒的数据速率。

“这款芯片为将实用的自测试量子随机数发生器集成到紧凑、安全的系统中铺平了道路。”Lim 副教授补充道。

该研究发表于《PRX Quantum》期刊。

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