新加坡國立大學(xué)設(shè)計與工程學(xué)院研究團隊日前宣布，開發(fā)出一款可實現(xiàn)自測功能的硅光子量子隨機數(shù)生成器芯片。這一突破解決了數(shù)十年來隨機數(shù)生成器完全信任硬件所致的安全隱患，為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施提供了可證明的量子級安全保障。該成果發(fā)表于最新一期《PRX Quantum》期刊。

在現(xiàn)代密碼體系中，隨機數(shù)是加密密鑰、安全交易和數(shù)字簽名的基石，其不可預(yù)測性直接決定系統(tǒng)安全性。傳統(tǒng)方案，包括量子隨機數(shù)生成器，均要求用戶完全信任硬件制造商對組件特性的標(biāo)定，一旦探測器因老化或惡意篡改出現(xiàn)偏差，輸出可能變得可預(yù)測而無法被察覺。隨著量子計算發(fā)展，此類硬件漏洞可能被量子攻擊者利用，構(gòu)成實質(zhì)性威脅。

團隊此次徹底改變了這一現(xiàn)狀。該芯片無需信任讀取光信號的光電探測器，僅需保證輸入光態(tài)的可信度。每次運行中，芯片制備并測量已知量子光態(tài)，通過比對輸出結(jié)果與量子理論預(yù)測值，實時驗證硬件完整性。若評分達標(biāo)，原始數(shù)據(jù)被提煉為認證隨機比特；若異常則立即終止。

團隊采用八英寸標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓工藝集成信號編碼器與探測器，實現(xiàn)室溫運行，避免了量子系統(tǒng)常見的低溫冷卻需求。針對硅基光調(diào)制器中相位調(diào)整與亮度變化的耦合效應(yīng)，他們設(shè)計出特殊驅(qū)動方案，利用調(diào)制器非線性響應(yīng)抵消干擾，確保量子態(tài)純度。實驗顯示，芯片探測器效率達69.1%，超過協(xié)議要求的67%的安全閾值，且可證實其生成的是真正獨立的新鮮隨機數(shù)。

不過，當(dāng)前實驗速率僅為每秒64比特，低于傳統(tǒng)可信設(shè)備量子隨機數(shù)生成器超過每秒100千兆比特的速度，但其安全等級達到芯片級最高水平。團隊透露，速度的主要限制因素是探測器效率，采用已驗證的效率達92.4%的新型光電二極管進行模擬，預(yù)計速率可提升至每秒68兆比特，比目前的實驗值高出五個數(shù)量級以上。

該芯片有望廣泛應(yīng)用于密碼學(xué)、金融服務(wù)、AI、醫(yī)療健康及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，為構(gòu)建抗量子攻擊的安全系統(tǒng)提供可行路徑。

此次，科研人員做出了一種能自我檢測的隨機數(shù)生成器芯片，可一邊制備并測量信號，一邊將理論值和實際值進行對比，實時判斷自身是否正常工作。它首次實現(xiàn)了不需要信任探測器的量子隨機數(shù)生成，雖然目前生成隨機數(shù)的速度堪稱緩慢，但安全性已經(jīng)毋庸置疑。該芯片能防范硬件被篡改或老化導(dǎo)致的風(fēng)險，尤其適合金融、政務(wù)、軍事等高敏感領(lǐng)域。它提供了一種對抗量子攻擊的防護方案，可增強數(shù)字社會關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的可信度。