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大連化學(xué)物理研究所研制出基于隨機(jī)激光相干模式的真隨機(jī)數(shù)生成器

大連化學(xué)物理研究所 2024-09-11
近日,大連化學(xué)物理研究所氧碘化學(xué)激光器效率和光腔研究研究組(703組)胡墅研究員、郭敬為研究員、譚彥楠研究員團(tuán)隊提出了一種基于隨機(jī)激光實現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)生成的新方法。該方法利用仿生隨機(jī)激光相干模式作為物理熵源,實現(xiàn)了單通道隨機(jī)數(shù)瞬時速率初步達(dá)到40Gbps,為真隨機(jī)數(shù)的生成提供了新思路。
 
  隨機(jī)數(shù)在安全通信、信息加密等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。特別是在保證信息絕對安全的量子通信領(lǐng)域,真隨機(jī)數(shù)可以滿足量子密鑰分發(fā)的隨機(jī)要求,因此,真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)在信息安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)TRNG利用高速光源產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù),具有信號加載速率快、抗干擾能力強(qiáng)等特點。近十幾年來,以混沌半導(dǎo)體激光器為典型熵源的光學(xué)TRNG發(fā)展較快。然而,受光源帶寬和空間通道數(shù)目的限制,混沌激光隨機(jī)數(shù)生成速率遇到了瓶頸,尋找新體制的光學(xué)TRNG成為當(dāng)前的研究熱點。隨機(jī)激光的輸出模式具有隨機(jī)性,是一種潛在的優(yōu)質(zhì)隨機(jī)數(shù)物理熵源,然而,基于隨機(jī)激光生成真隨機(jī)數(shù)的研究尚處于起步階段。
 
  本工作中,該團(tuán)隊提出一種基于隨機(jī)激光相干模式的隨機(jī)數(shù)生成新方法,將復(fù)刻有鮑魚殼內(nèi)表面類光柵溝槽結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為散射襯底,結(jié)合羅丹明640染料作為增益介質(zhì),實現(xiàn)了單通道前向和后向相干隨機(jī)激光的同時輸出,并且在光譜和時序上表現(xiàn)出激烈的模式競爭,具備較強(qiáng)的隨機(jī)性。團(tuán)隊對隨機(jī)激光的時序變化進(jìn)行采樣,經(jīng)過三階差分計算、異或邏輯運算等后處理過程,生成隨機(jī)數(shù)序列,瞬時速率初步達(dá)到40Gbps。研究發(fā)現(xiàn),隨機(jī)比特滿足隨機(jī)分布、獨立性、無偏差等要求,并通過了NIST SP800-22測試,證實了隨機(jī)數(shù)序列具有較高質(zhì)量。本工作在生成隨機(jī)數(shù)方面具備可拓展的潛力,有望推動隨機(jī)激光在隨機(jī)數(shù)生成領(lǐng)域中的應(yīng)用。
 
  該團(tuán)隊長期致力于隨機(jī)激光的開發(fā),經(jīng)過多年的探索,取得了系列研究進(jìn)展,包括制備了銀納米顆粒藍(lán)光隨機(jī)激光器(J. Alloy. Compd.,2019)、荷葉基隨機(jī)激光器(Org. Electron.,2019;ACS Appl. Mater. Interfaces,2020)、鮑魚殼隨機(jī)激光器(Opt.?Commun.,2021;J. Lumin.,2022)等,并通過能量傳遞過程調(diào)控隨機(jī)激光的模式競爭(Opt. Express,2024),基于非相干隨機(jī)激光的光譜實現(xiàn)了810 Tbit/s的隨機(jī)數(shù)生成速率(J. Lightwave Technol.,2023)。
 
  相關(guān)研究成果以“True random number generation based on temporal fluctuations of abalone shell coherent random lasers”為題,于近日發(fā)表在《光學(xué)快報》(Optics Letters)上。該工作的共同第一作者為我所703組胡墅和李俊濤博士。(文/圖 胡墅)
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