新加坡國立大學的研究人員開發了一款量子隨機數生成器晶片，該晶片能在產生隨機數的同時驗證自身硬件的完整性，解決了數字加密系統中長期存在的安全挑戰。隨機數對於加密密鑰、安全交易、數字簽名以及其他網絡安全應用至關重要。現有的隨機數生成器，包括量子版本，均依賴用户信任其硬件組件持續正常運作。如果某個組件惡化或遭到篡改，其輸出可能會變得可預測而無法被檢測到。這款新晶片旨在消除這一風險，通過持續檢查其測量硬件在運作過程中的表現來達成。
此研究團隊由新加坡國立大學電機與計算機工程系的副教授林查爾（Charles Lim）領導，表示該方法可加強金融、醫療、人工智能及連接設備等領域的安全性。傳統的量子隨機數生成器通常使用所謂的信任設備模型。在這種方法下，激光、調製器和探測器等組件被假定在其整個壽命中都能符合規格。然而，這款新晶片則採用了測量設備無關的協議。這意味著用户只需信任進入系統的量子光信號，而非負責測量這些信號的探測器。
新型量子隨機數生成器晶片提升數字安全性
在運作過程中，該晶片生成已知的量子光狀態，並將探測器的反應與量子理論的預測進行比較。如果結果符合預期，系統便將數據轉換為經認證的隨機數；若不符合，過程則會自動停止。副教授林查爾表示：「量子隨機數生成器中的測量單元傳統上非常難以特徵化，這使其在現實世界中的可靠性難以保證。我們的解決方案消除了在使用過程中信任該單元正常運作的需求。」
該設備集成了信號編碼器和光學探測器於單一硅晶片上，採用了在半導體生產中常用的八寸晶圓工藝。與某些量子技術不同，這款晶片在室温下運作，無需低温冷卻。研究人員還解決了涉及基於硅的光調製器的挑戰。調整光的相位可能會無意中改變其亮度，可能影響安全性。團隊開發了一種控制方法，以補償此效應並保持穩定的光學信號。
該晶片的探測器達到了 69.1%的總效率，超過了協議的最低要求 67%。測試還顯示，該系統產生的經認證隨機位數超過其作為輸入種子所消耗的位數，確認其產生了新鮮的隨機性。研究人員將該設備形容為迄今為止展示的最安全的量子隨機數生成器晶片。對該系統的安全性分析假設了一種最壞情況，即攻擊者可能與探測器本身擁有量子關聯。這種安全性水平的代價是，當前的實驗系統每秒產生 64 位，速度遠低於傳統量子隨機數生成器可超過 100 吉位每秒的性能。
團隊相信，透過更好的探測器技術，性能有望大幅提升。
研究人員開發的實驗室光電二極管已達到 92.4%的效率，模擬結果顯示未來版本的晶片有望實現每秒 68 兆位的數據傳輸速率。「這款晶片為將實用的自測量量子隨機數生成器整合到緊湊且安全的系統中鋪平了道路。」林查爾副教授補充道。該研究已發表於《PRX Quantum》期刊。
