混沌微梳：超快并行物理随机数发生器
当今数字时代，随机数常被用作密钥对信息进行加密，生成随机数的能力关系到国家安全和国计民生。利用算法可以快速产生随机数，但它是伪随机的，具有周期性，存在安全隐患。利用物理随机过程作为熵源，可产生真正安全的随机数，但其产生速率远远低于当前通信速率，难以满足无条件安全通信需求。
混沌激光具有大幅度随机起伏特征，是一种相对理想的物理熵源，近年来获得了国内外同行的广泛关注。相关学者利用不同类型的混沌半导体激光器与电子模数转换器（ADC）相结合，提出了多种多样的混沌物理随机数产生方案。但截至目前，这些随机数产生方案均为串行方案，混沌半导体激光器中的交叉增益调制效应致使其只能生成一路独立无关的随机数序列。受限于模数转换器等电子器件响应速度，串行随机数产生速率难以进一步获得提升，无法满足高速通信系统的实际需求。
图1：基于混沌微梳的超快并行随机数发生器工作原理. a.实验装置图; b.混沌频梳光谱图；c. 并行混沌时序图；d. 并行混沌相关图；e. 并行随机比特图
针对该问题，广东工业大学先进光子技术研究院李璞教授、王云才教授课题组提出了一种基于混沌微梳的物理随机数并行产生方案，并以“Scalable parallel ultrafast optical random bit generation based on a single chaotic microcomb”为题发表在Light: Science & Applications。
在该工作中，研究团队使用连续光激光器泵浦高折射率掺杂硅玻璃微环谐振腔产生光频梳。研究发现，在调制不稳定作用下，微环谐振腔可以产生出成百上千路混沌光梳。进一步，通过定位光梳凹陷区，可构建出同时满足频谱平坦和统计独立无关两大特征的并行混沌熵源。最后，结合多位ADC及过采样量化技术，该课题组原理性实验证实了实现速率达Tb/s量级的超快并行随机数产生的可行性。鉴于混沌微梳拥有数百条以上梳线，该方法只需简单地增加所使用混沌梳线的数量，就可以很方便地实现随机数产生速率的极大提升。尤其是，微环谐振腔的超小尺寸和随机比特提取过程的极大简化，使得本方法成为构建芯片级超快物理随机数发生器的强有力竞争者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01411-7
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