我所研制出基于随机激光相干模式的真随机数生成器

近日，我所氧碘化学激光器效率和光腔研究研究组（703组）胡墅研究员、郭敬为研究员、谭彦楠研究员团队提出了一种基于随机激光实现真随机数生成的新方法。该方法利用仿生随机激光相干模式作为物理熵源，实现了单通道随机数瞬时速率初步达到40Gbps，为真随机数的生成提供了新思路。

随机数在安全通信、信息加密等领域有着重要的应用价值。特别是在保证信息绝对安全的量子通信领域，真随机数可以满足量子密钥分发的随机要求，因此，真随机数生成器（TRNG）在信息安全领域具有广阔的应用前景。光学TRNG利用高速光源产生真随机数，具有信号加载速率快、抗干扰能力强等特点。近十几年来，以混沌半导体激光器为典型熵源的光学TRNG发展较快。然而，受光源带宽和空间通道数目的限制，混沌激光随机数生成速率遇到了瓶颈，寻找新体制的光学TRNG成为当前的研究热点。随机激光的输出模式具有随机性，是一种潜在的优质随机数物理熵源，然而，基于随机激光生成真随机数的研究尚处于起步阶段。

本工作中，该团队提出一种基于随机激光相干模式的随机数生成新方法，将复刻有鲍鱼壳内表面类光栅沟槽结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为散射衬底，结合罗丹明640染料作为增益介质，实现了单通道前向和后向相干随机激光的同时输出，并且在光谱和时序上表现出激烈的模式竞争，具备较强的随机性。团队对随机激光的时序变化进行采样，经过三阶差分计算、异或逻辑运算等后处理过程，生成随机数序列，瞬时速率初步达到40Gbps。研究发现，随机比特满足随机分布、独立性、无偏差等要求，并通过了NIST SP800-22测试，证实了随机数序列具有较高质量。本工作在生成随机数方面具备可拓展的潜力，有望推动随机激光在随机数生成领域中的应用。

该团队长期致力于随机激光的开发，经过多年的探索，取得了系列研究进展，包括制备了银纳米颗粒蓝光随机激光器（J. Alloy. Compd.，2019）、荷叶基随机激光器（Org. Electron.，2019；ACS Appl. Mater. Interfaces，2020）、鲍鱼壳随机激光器（Opt. Commun.，2021；J. Lumin.，2022）等，并通过能量传递过程调控随机激光的模式竞争（Opt. Express，2024），基于非相干随机激光的光谱实现了810 Tbit/s的随机数生成速率（J. Lightwave Technol.，2023）。

相关研究成果以“True random number generation based on temporal fluctuations of abalone shell coherent random lasers”为题，于近日发表在《光学快报》（Optics Letters）上。该工作的共同第一作者为我所703组胡墅和李俊涛博士。（文/图 胡墅）

文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.533214

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