Quantum-proof randomness extractors via operator space theory
量子验证随机性提取器是经典密码学和量子密码学以及设备无关随机性放大和扩展的重要构建块。此外，它们也是量子香农理论的一个有用工具。已知的是，一些提取器构造是量子证明的，而其他提取器构造可证明不是量子证明的[Gavinsky等人，STOC'07]。我们认为，算子空间的理论提供了一个自然的框架，研究在何种程度上提取器是安全的对量子对手：我们首先短语提取器的定义作为赋范空间之间的有界范数条件，然后表明，量子对手的存在对应于一个完全有界范数条件之间的算子空间。由此，我们表明，非常高的最小熵提取器以及提取器与小输出总是（近似）量子证明。我们还研究了一个泛化的提取器称为随机性冷凝器。我们把凝聚子的定义称为有界范数条件，把量子安全凝聚子的定义称为完全有界范数条件。将凝聚器看作二部图，我们发现有界范数条件对应于一个研究得很好的组合问题的实例，称为二部分解子图。此外，利用算子空间的特征，我们可以将任何冷凝器关联到贝尔不等式（两人博弈），使得经典和量子策略与冷凝器上的经典和量子攻击一一对应。因此，我们得到每个量子证明的冷凝器（其中特别包括量子证明的提取器）的贝尔不等式，不能违反量子力学。
2017-05-04 math-ph math.MP quant-ph
An efficient construction of Raz's two-source randomness extractor with improved parameters
本文提出Raz双源随机性提取器的改进构造，将计算时间从多项式降至拟线性，并降低熵需求，提供分析比较、量子证明版本及开源实现。
2025-06-18 cs.CC cs.CR quant-ph
Multi-Source Randomness Extractors Against Quantum Side Information, and their Applications
研究了在量子环境下构造多源抽取器的问题，该抽取器可以从多个初始独立的经典随机源中抽取几乎均匀的随机比特.这是种子随机性提取对量子边信息和经典独立源提取的自然推广。随着新的挑战，例如边信息中的潜在纠缠，量子多源提取器在什么条件下存在并不是一个先验清楚的;唯一的先前工作是[KK 12]，其中[CG 88]和[DEOR 04]的经典内积两源提取器在受限独立附着（IA）模型和纠缠有界存储（BS）模型中被证明是量子安全的。在本文中，我们提出了一个新的模型称为广义纠缠（GE）粘附模型，它允许在边信息的任意纠缠和包容IA模型和BS模型。我们继续展示如何构建GE安全的量子多源提取器。为此，我们提出了另一种称为单侧粘附（OA）模型的模型，该模型比上述所有模型都弱。令人惊讶的是，我们建立强OA安全和强GE安全之间的等价性。因此，所有经典的多源提取器可以直接工作，或被修改为在GE模型中工作，代价是一个额外的随机源。因此，我们的构造基本上与经典多源提取器的最佳已知构造相匹配。我们也将我们的技术应用于密码学和分布式计算中的两个重要问题-隐私放大和网络抽取器。我们证明，只要源在我们的GE模型中具有一定量的条件最小熵（即使有纠缠的量子边信息），我们就可以设计非常有效的隐私放大协议和网络提取器。
2014-11-10 cs.CC quant-ph
Real-Time Seedless Post-Processing for Quantum Random Number Generators
本文提出一种实时无种子双源量子随机性提取器，针对新定义的前向块源，可从两个无限长独立源中提取恒定比例最小熵，并在常用量子随机数发生器上实现64 Gbps模拟提取速度。
2024-01-29 quant-ph
Deterministic randomness extraction for quantum random number generation with partial trust
Quside Technologies S.L.（Quside科技有限公司）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；ICFO-Institut de Ciències Fotòniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（ICFO-光子科学研究所，巴塞罗那科学技术研究所）
本研究提出了一种在部分信任条件下，利用量子熵源和半设备无关设置的确定性随机提取方法，实现了高效率的随机数生成。
2026-02-26 quant-ph
FPGA-based Toeplitz Strong Extractor for Quantum Random Number Generators
本文在FPGA上实现了用于QRNG后处理的Toeplitz强提取器，达到26.57 Gbps基准提取速度，并通过NIST STS 2.1.2测试验证了处理自研相位噪声QRNG原始数据的输出随机性。
2025-05-03 quant-ph
Stream randomness extraction against quantum side information
Future Research Lab, China Mobile Research Institute（中国移动研究院未来研究实验室）；Department of Physics, Renmin University of China（中国人民大学物理系）；QICI Quantum Information and Computation Initiative, Department of Computer Science, The University of Hong Kong（香港大学计算机科学系量子信息与计算倡议）
本文提出基于几乎双随机哈希的流处理随机提取器，通过预处理生成伪随机掩码，实现实时随机数生成，提升量子加密系统的效率。
2026-06-05 quant-ph
Improved Two-source Extractors against Quantum Side Information
本文证明了 Dodis 等人的双源提取器在面对量子边信息时性能与经典领域同样出色，并推导出新量子 XOR 引理以重新推导通用归约并改进一大类提取器。
2025-03-07 cs.CR quant-ph
Testing randomness of series generated in Bell's experiment
本文利用类 QKD 光纤 Bell 实验生成二进制序列，依据 Ville 原理并用多种统计指标检验随机性，证实 Toeplitz 提取器可使被拒序列达到与原始合格序列不可区分的随机水平。
2022-08-31 quant-ph
Quantum Side Information: Uncertainty Relations, Extractors, Channel Simulations
在本论文的第一部分，我们讨论了经典和量子物理学的代数方法，并在此设置中发展信息论的概念。第二部分讨论了量子力学中的不确定原理。该原理指出，即使我们有关于量子系统状态的全部经典信息，也不可能确定性地预测所有可能测量的结果。相比之下，量子观察者的视角允许拥有关于量子系统状态的量子信息。这就导致了不确定性和量子关联之间的相互作用。我们提供了一个信息论分析讨论熵的不确定性与量子边信息的关系。第三部分讨论了随机抽取器的概念。经典和量子随机性是信息论、密码学和计算中的重要资源。然而，大多数随机性的来源只表现出弱形式的不可预测性，随机性提取的目标是将这种弱随机性转换为（几乎）完美的随机性。我们讨论了经典和量子随机性提取器的各种结构，我们特别研究了这些结构相对于具有量子边信息的观察者的性能。在第四部分中，我们讨论了信道模拟。香农的噪声信道定理可以理解为使用噪声信道来模拟无噪声信道。我们在这里要考虑的信道模拟是关于相反的问题：从无噪声信道模拟有噪声信道。从纯经典情形（经典的反向香农定理）出发，我们给出了各种量子信道的模拟结果。我们通过使用经典和量子随机性提取器来实现这一点，这些提取器也适用于量子边信息。
2013-10-17 cs.IT math-ph math.IT
A modular framework for randomness extraction based on Trevisan's construction
非正式地，提取器从可能远离均匀分布的源提供完美的随机性，但包含一些随机性。这个任务是任何试图产生完美的随机数的关键因素-例如，密码协议、数值模拟或随机计算所需要的。Trevisan的提取器引起了相当大的理论兴趣，不仅因为与其他构造相比，它的数据简约，而且特别是因为它对量子对手是安全的，使其适用于量子密钥分发。我们讨论了一个模块化的，可扩展的和高性能的实现的建设的基础上，可以灵活地组合，以满足各种场景的要求。除了定量地分析了许多组合在实际环境中的性质外，我们改进了以前的理论证明，并给出了非渐近情况下的明确结果。自包含的描述并不假设熟悉提取器。
2012-12-03 cs.IT cs.MS math.IT
True randomness from an incoherent source
量子随机数发生器（QRNG）利用测量过程中的内在随机性：假设输入状态是测量算子本征态的叠加，则测量输出是真正随机的。在\emph{trusted}器件的情况下，只要与$ρ$纠缠的系统被很好地保护，就可以从混合状态$ρ$产生真正的随机性。我们提出了一种基于测量的正交波动的单模热态使用光学零差检测器的随机数产生方案。通过将宽带放大自发发射（ASE）源的输出与单模本振（LO）在分束器处混频并进行差分光电探测，利用LO的滤波功能，可以选择性地探测ASE源单模输出的正交波动。实验上，已观察到比真空噪声大约三个数量级的正交方差，这表明与基于测量真空噪声的QRNG相比，该方案可以容忍高得多的检测器噪声。该熵源的高质量由所获取的数据的小相关系数证明。应用Toeplitz散列提取器从高斯分布的原始数据中生成无偏随机比特，实现了每个样本5.12比特的效率。Toeplitz提取器的输出成功通过了随机数的所有NIST统计测试。
2017-11-01 quant-ph
Certified randomness in quantum physics
随机性的概念在许多学科中起着重要的作用。一方面，随机过程是否存在的问题是我们理解自然的基础。另一方面，随机性是密码学、算法和模拟的资源。产生随机性的标准方法依赖于对设备的假设，这些假设在实践中很难满足。然而，量子技术允许使用新方法来生成经过验证的随机性。这些方法被称为设备无关的，因为不依赖于设备的任何建模。在这里，我们回顾的努力和挑战，设计设备无关的随机发生器。
2017-08-01 quant-ph
Seedless extractors for device-independent quantum cryptography
本文提出一种设备无关量子密码学中无需种子且可抵抗无界量子对手的随机性提取方法，以贝尔违背替代最小熵作为提取承诺，并给出完整安全性证明。
2025-02-27 quant-ph
Ultrafast quantum random number generation based on quantum phase fluctuations
量子随机数发生器（QRNG）利用量子力学的基本不确定性产生真正的随机性。大多数QRNG方法采用单光子探测技术，并且速度有限。在这里，我们提出并实验证明了一个超快QRNG的速率超过6 Gb/s的基础上的量子相位波动的激光工作在阈值附近。此外，我们考虑了一个潜在的对手谁拥有部分知识的原始数据，并讨论了如何可以严格删除这种部分知识与后处理。我们通过对系统建模，用最小熵来量化量子随机性，并采用两个提取器，Trevisan的提取器和Toeplitz哈希，来提取随机性，这是信息理论上可证明的。我们的实验装置的简单性和高速性表明了鲁棒、低成本、高速QRNG的可行性。
2012-07-05 physics.optics quant-ph
Randomness extraction from Bell violation with continuous parametric down conversion
我们提出了一个违反CHSH不等式没有公平的采样假设与连续泵浦光子对源结合两个高效率的超导探测器。由于源的连续性，每轮测量持续时间的选择有效地控制了参与贝尔测试的光子对的平均数量。我们观察到S= 2.01602（32）的最大违规，每轮的平均对数为~0.32，与我们的系统整体检测效率兼容。违反贝尔不等式的系统保证产生私有随机性，随机性提取率取决于观察到的违反和贝尔测试的重复率。对于我们的实现，随机性生成的最佳速率是观察到的违规和每个测量轮的持续时间之间的折衷，后者实际上受到检测时间抖动的限制。使用一个可组合安全的提取器来对抗带有量子边信息的量子对手，我们计算出了~1300随机比特/秒的渐近速率。在43分钟的实验运行中，我们生成了617，920个随机比特，相当于约240个随机比特/秒。
2018-05-08 quant-ph
Experimental demonstration of high-entropy time of arrival based optical QRNG qualifying stringent statistical tests
报道了一种基于光子到达时间的高熵光量子随机数发生器（QRNG）。我们已经实现了该计划的高速和高精度的电子与1 ps的时间分辨率产生115 Mbps的原始数据。随机位生成效率为每次检测8位。实验数据与理论估计相当一致，显示最小偏差。我们应用实时信息理论随机性提取器来生成109 Mbps的最终数据速率。根据NIST、ENT、Diehard、TU-01和Dieharder的知名统计测试套件对随机性进行了严格评估。
2021-08-13 quant-ph
Device-Independent Private Quantum Randomness Beacon
针对传统设备无关量子随机数生成协议设备要求严苛的问题，提出基于路由贝尔测试的DIPQRB方案，通过服务器-客户端网络分配设备要求，实现高性价比的安全私密随机数生成。
2025-09-06 quant-ph
Experimentally Generated Random Numbers Certified by the Impossibility of Superluminal Signaling
随机数是数值模拟和保密通信等应用的重要资源。然而，很难证明物理随机数发生器是否真的不可预测。在这里，我们利用量子非局域性的现象，在一个无环孔的光子贝尔测试实验中产生的随机性，不能在任何物理理论，允许一个独立的测量选择，并禁止超光速信号预测。为了验证和量化的随机性，我们描述了一个新的协议，表现良好的实验制度，其特征在于低违反贝尔不等式。对我们的数据应用提取器函数，我们获得了256个新的随机位，均匀到0.001以内。
2017-02-16 quant-ph
Quantum random number generation for 1.25 GHz quantum key distribution systems
量子密钥分发（QKD）系统的安全性证明通常假设用户可以访问完全随机的源。最先进的QKD系统在GHz范围内的频率下运行，需要持续GHz的量子随机数生成和获取速率。在本文中，我们演示了这样一个高速随机数发生器。熵源是基于放大的自发发射从掺铒光纤，这是直接收购使用标准的小形状因子可插拔（SFP）模块。该模块连接到QKD系统的现场可编程门阵列（FPGA）。在FPGA中实现了一个实时随机性提取器，并实现了可证明随机位的1.25 Gbps的持续速率。
2015-04-29 quant-ph
Trevisan's extractor in the presence of quantum side information
随机抽取涉及到纯粹经典信息的处理，因此通常在经典概率论的框架下进行研究。然而，这样的经典处理通常对于应用来说限制太多，其中关于经典随机变量所取值的边信息可以由量子系统的状态表示。这在密码学的上下文中特别相关，其中对手可以利用量子设备。在这里，我们表明，著名的构造范式提取器提出的Trevisan是健全的量子边信息的存在。我们利用这种模式的模块化，给出几个具体的提取器的建设，其中，例如，提取所有的条件（光滑）最小熵的源使用的种子长度多对数的输入，或只需要种子是弱随机的。
2012-06-18 cs.CC cs.CR quant-ph
Certifying randomness in quantum state collapse
本文利用量子态坍缩的扰动效应，在设备独立及Lüders规则假设下提出可直接估计随机量的验证协议，并借助可信投影测量提升效率与随机数产生率。
2023-08-17 quant-ph
Generating Haar-uniform Randomness using Stochastic Quantum Walks on a Photonic Chip
本文在集成光子芯片上实现二维随机量子行走，验证 1-pad Haar 均匀随机性，并证明其收敛速度优于同波导数的一维阵列。
2021-12-13 physics.optics quant-ph
Multiplexed Quantum Random Number Generation
快速安全的随机数生成是高速加密通信的关键，是信息安全的基础。真正随机数的产生取决于所使用的过程的内在随机性，并且通常受到电子带宽和信号处理数据速率的限制。在这里，我们使用多路复用方案来创建一个快速的量子随机数生成器，其结构适合于分布式计算的加密和高比特率数据传输。我们使用七个零差探测器测量的真空波动作为量子随机性源，使用单个集成光学器件进行复用。我们得到一个随机数生成速率为3.08 Gbit/s，从只有27.5 MHz的采样检测器带宽。此外，我们利用系统的多路复用特性来演示一个生成速率为26 Mbit/s的非种子强提取器。
2019-05-06 quant-ph
Device-independent randomness certification using multiple copies of entangled states
我们证明了在多大程度上，许多副本的最大纠缠的两个量子比特的状态，使生成更大量的认证的随机性比可以从一个单一的副本认证。虽然看起来更大的系统维度意味着更高的随机性，但非平凡性在于从许多纠缠态副本中生成的随机性的设备无关的同时认证。这是因为，大多数两个结果的贝尔不等式（即，Clauser-Horne-Shimony-Holt不等式、Elegant不等式或Chain贝尔不等式）对两量子比特纠缠态的单拷贝进行了优化。因此，这种贝尔不等式既不能证明纠缠态的多个副本，也不能证明更高的随机性。在这项工作中，我们适当地调用一族$n$设置贝尔不等式，该不等式针对最大纠缠两量子比特态的$\lfloor n/2 \rfloor$副本进行优化，从而具有从多个两量子比特纠缠态副本中证明更大随机性的能力。
2022-12-29 quant-ph
Minimalist design of a robust real-time quantum random number generator
本文提出一种基于单光子探测器点击时间间隔的极简实时量子随机数发生器，通过查找表实现确定性随机性提取，实现每次点击1比特、1.2 Mbit/s的生成速率。
2015-07-08 quant-ph
How much randomness can be generated from a quantum black-box device?
量子理论允许在设备无关的设置中产生随机性，其中不需要对实验设备进行详细描述。在这里，我们推导出一个一般的上限的数量的随机性，可以在这样的设置。我们的边界适用于任何黑盒场景，因此涵盖了从部分特征化到完全未特征化的设备的广泛场景。具体来说，我们证明，可以生成的随机位的数量是有限的，由不同的输入状态，进入测量设备的数量。我们明确表明，我们的界限是紧在最简单的情况下。更一般地说，我们的工作表明，通过使用高维（甚至连续变量）系统产生大量随机性的前景在实践中将极具挑战性。
2018-11-20 quant-ph
Experimental implementation of bias-free quantum random number generator based on vacuum fluctuation
实验证明，通过测量量子态的真空涨落，实现了一种具有实时随机性提取的无偏置光量子随机数发生器，可直接输出均匀分布的随机数。该方案利用相位调制器，有效降低了实际器件不完善引起的发生器两臂偏差的影响，是量子随机数发生器领域的一种创新方案。在反馈调制频率比相位抖动快得多的情况下，可以通过补偿信号与其平均值之间的附加减法来获得无偏结果，以消除残余偏差。采用跟随随机性提取器消除实际系统中由于器件不完善而引入的残余边信息的影响。
2019-04-22 quant-ph
Assessing randomness with the aid of quantum state measurement
随机性是科学、密码学、工程和信息技术中的宝贵资源。量子力学的随机性来源是有吸引力的，因为单个量子过程的不确定性。在这里，我们考虑从光子的偏振测量随机比特的生产。我们首先提出了一个教学讨论的量子随机性固有的测量是如何连接到量子相干性，以及它如何可以量化的量子态和相关的熵值称为最小熵。然后，我们通过执行一系列适合本科实验室的单光子实验来探索这些概念。我们准备不同的非纠缠态和纠缠态的光子，并测量这些状态的断层摄影。我们使用有关量子态的信息来确定，在最小熵方面，由不同的比特生成测量从给定的光子态产生的随机性的最小量。这有助于评估量子随机性的存在，并确保随机比特源的质量和安全性。
2020-02-21 quant-ph
Strong experimental guarantees in ultrafast quantum random number generation
我们描述了量子随机数生成（QRNG）实验声明的证明方法和标准，类似于精密测量的成熟方法。对于适当构造的物理实现，量子对平均最小熵的贡献的下限可以从对QRNG输出的测量中导出。给定这些界限，随机性提取器允许生成几乎完美的“ε-随机”比特流。实验不确定性的分析，然后给出实验得出的这些序列的ε随机性的置信水平。我们证明了该方法的应用程序相扩散QRNG，驱动的自发发射作为一个可信的随机性源。所有其他因素，包括经典的相位噪声、幅度波动、数字化误差和由于有限检测带宽引起的相关性，都要谨慎对待，即，假设最坏的可能行为与观察结果一致。采用数据约束下的数值优化方法对不可信参数的分布进行优化，以降低平均最小熵。在这种偏执的分析下，QRNG仍然有效，在0.99993的置信水平下，用8位数字化产生每个符号至少2.3个量子随机位，用二进制数字化产生每个符号至少0.83个量子随机位。结果表明，超快QRNG具有强有力的实验保证。
2015-01-13 quant-ph
Quantum Measurement Adversary
本文提出量子测量敌手 qm-adv 与量子通信敌手 qc-adv，统一现有量子多源敌手模型，并证明内积提取器、抗量子 non-malleable-extractor 及弱源隐私放大协议的安全性。
2023-06-06 cs.CR quant-ph
Optimization of experimental quantum randomness expansion
Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；Gdańsk University of Technology（格但斯克理工大学）
本文提出基于贝尔不等式违反的量子随机数生成器优化方法，通过分析关键参数平衡随机性生成与消耗，提升随机性扩展率。
2024-11-07 quant-ph
Statistical testing of random number generators and their improvement using randomness extraction
本文针对密码学 RNG 输出质量验证问题，构建可配置统计测试环境，对 LFSR、RDSEED 和 Quantis 进行密集测试，并比较多种基于随机性提取器的后处理改进方法。
2025-01-09 cs.CR quant-ph
Generating Randomness from a Computable, Non-random Sequence of Qubits
Nies和Scholz引入了状态的概念来描述量子比特的无限序列，并定义了状态的量子马丁-洛夫随机性，类似于康托空间（无限比特序列的空间）元素的马丁-洛夫随机性的众所周知的概念。我们形式化如何“测量”的状态在一个基础上诱导康托空间的概率测度。一个状态是“测量随机”（mR），如果由它引起的测量，在任何可计算的基础上，将概率1分配给马丁-勒夫随机集。等价地，一个状态是mR当且仅当在任何可计算基中测量它产生概率为1的马丁-洛夫随机数。虽然量子马丁-勒夫随机态是mR，但反过来也不行：有一个mR态x不是量子马丁-勒夫随机态。事实上，更强大的东西是真的。虽然x是可计算的，并且可以很容易地构造，但在任何可计算的基中测量它都会产生概率为1的算术随机序列。也就是说，经典的算术随机性可以从量子比特的可计算的、非量子随机序列生成。
2020-05-01 cs.IT cs.LO math.IT
Free randomness can be amplified
自然界中是否存在基本的随机过程？理论预测，实验证实，如违反贝尔不等式，指向一个肯定的答案。然而，这些结果是基于可以随机自由选择测量设置的假设，因此从一开始就假设存在完全自由的随机过程。在这里，我们考虑的情况下，这一假设被削弱，并表明，部分自由的随机位可以被放大，使任意自由的。更确切地说，给定一个源的随机位与其他变量的相关性低于一定的阈值，我们提出了一个程序，用于生成新鲜的随机位，几乎与所有其他变量不相关。我们还推测，这样的程序存在任何非平凡的阈值。我们的结果是完全基于无信号原理，这是必要的自由随机性的存在。
2013-06-18 quant-ph
Device-independent Randomness Amplification and Privatization
本文提出并证明了首个设备无关协议，可将任意偏差的公共Santha-Vazirani源放大并私有化为接近均匀的秘密字符串，仅需双组件设备，同时实现非消失提取率和最大噪声容忍度。
2017-09-07 cs.CR quant-ph
Noise robustness of three outcome Bell certified quantum randomness
ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（光子科学研究所，巴塞罗那科学技术学院）；Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院理论物理中心）；Department of Algorithms and System Modeling, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics, Gdańsk University of Technology（格但斯克理工大学电子、电信与信息学院算法与系统建模系）；ICREA-Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avançats（加泰罗尼亚研究与高级研究学院）
研究三方每方三输出的贝尔不等式对噪声的鲁棒性，发现多输出场景下许多不等式能认证高随机性，且对噪声具有鲁棒性。
2026-06-26 quant-ph
Certified Randomness from Quantum Supremacy
我们提出了一个近期量子设备的应用：即生成加密认证的随机位，用于（例如）权益证明加密货币。我们的协议重新利用了现有的“量子霸权”实验，该实验基于随机电路采样，谷歌和中国科学技术大学已于2019年开始成功实施。我们表明，只要这些实验的输出通过现在标准的线性交叉熵基准（LXEB），在合理的硬度假设下，它们必然包含$Ω(n)$最小熵，其中$n$是量子位数。为了实现随机性的净增益，我们使用一个小的随机种子来产生伪随机挑战电路。作为对挑战电路的响应，量子计算机生成输出字符串，在验证之后，这些字符串可以被馈送到随机性提取器中，以产生经过认证的接近均匀的比特-从而从伪随机性“引导”到真正的随机性。我们证明了我们的协议的声音在两个意义上：（i）根据硬度假设称为长列表量子至上验证，我们证明在随机预言机模型，和（ii）无条件地在随机预言机模型对窃听者谁可以共享任意纠缠的设备。(Note我们的协议的输出是不可预测的，甚至对于可以看到随机预言的计算上无限的对手。目前，我们的协议的主要缺点是验证的指数成本，这在实践中将限制其实施到最多$n\sim 60$量子位，一个攻击昂贵但并非不可能的制度。模的缺点，我们的协议似乎是唯一的实际应用的量子计算，既需要一个QC，是物理上可实现的今天。
2023-03-02 cs.CC quant-ph
Parallel and real-time post-processing for quantum random number generators
基于连续变量（CV）量子涨落的量子随机数发生器（QRNG）在测量带宽、稳定性和可积性方面具有巨大的潜力。更重要的是，它为QRNG生成率的大幅提升提供了一条高效、可扩展的路径。在这个过程中，使用信息理论上安全的随机性提取器的实时随机性提取是至关重要的，因为它对QRNG的吞吐率和实现成本的限制起着至关重要的作用。在这项工作中，我们研究并行和实时实现多个Toeplitz哈希提取器在一个现场可编程门阵列（FPGA）的并行QRNG。重点研究了Toeplitz矩阵的精细布局和FPGA中硬件计算资源的高效利用。分析了不同规模和数量的Toeplitz矩阵对逻辑资源的占用情况，设计了两层并行流水线算法，充分利用了FPGA的并行算法优势和硬件资源。最终实现了QRNG的实时后处理速率在8Gbps以上。与用于并行提取真空态多量子边带模的集成电路相匹配，我们的演示显示了基于芯片的并行QRNG的重要一步，这可以有效地提高CV QRNG的实用性，包括设备可信，设备无关和半设备无关的方案。
2021-07-29 eess.SP quant-ph
Randomness versus Nonlocality in Multi-input and Multi-output Quantum Scenario
该研究厘清量子随机性认证所需的最小非局域资源：证明任意两输入贝尔不等式违反是充要条件，但多输入情形不充分；通过高维光子实验比较两类多输入多输出贝尔不等式，揭示随机性与非局域性的内在联系，并实现每光子对1.867±0.018比特的私密随机数生成率。
2024-09-05 quant-ph
Parallel real-time quantum random number generator
量子随机数生成利用量子力学过程和测量的固有随机性。量子随机数的实时产生速率通常受到电子带宽和数据处理速率的限制。在这里，我们使用一个多路复用方案，以创建一个快速的实时量子随机数发生器的基础上连续变量的真空波动。在零差检测带宽内的量子真空态的多个边带频率模式被同时提取作为随机性源。基于Toeplitz哈希提取器，在一个现场可编程门阵列（FPGA）中实现了三个子熵源原始数据的并行后处理。实现了8.25 Gbps的实时累积生成速率。该系统依赖于光电元件和电路，可以集成在一个紧凑，经济的封装。
2019-11-08 physics.optics quant-ph
Maximal device-independent randomness in every dimension
University of York（约克大学）；Drexel University（德雷塞尔大学）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）
本文提出了一种显式协议，证明在任意维度下可以实现设备无关随机性的最大提取。
2024-09-30 quant-ph
502 Gbits/s Quantum Random Number Generation with Simple and Compact Structure
提出并实现了一种基于DFB激光器量子相位起伏的量子随机数产生方案。实验测量数据的分布概率与理论模型的仿真结果吻合较好。最小熵估计和Toeplitz哈希随机性提取器用于获得最终的随机比特。该方法不仅结构简单，而且具有较高的随机比特生成率。结果，可以获得502 Gbits/s的随机比特生成速度，这比以前的类似方案高得多。这种方法为QRNG的实际应用提供了可能。
2016-07-07 quant-ph
Randomness from Radiation: Evaluation and Analysis of Radiation-Based Random Number Generators
本文基于钴-60和锶-90放射性衰变构建量子随机数发生器，并通过熵、频率及NIST测试评估源性质、距离和记录时间对随机性的影响。
2024-09-30 quant-ph
Applications of Certified Randomness
本文探讨了认证随机性在密码学、差分隐私、金融市场和区块链等现实世界应用中的潜力，使用不可信远程量子计算机生成可认证随机性，以提升安全性和公平性。
2025-03-25 cs.ET quant-ph
Device and semi-device independent random numbers based on non-inequality paradox
在这项工作中，我们提出了设备独立的真随机数生成协议的基础上，如哈代和Cabello的非局部性参数的非不等式悖论。我们的协议产生随机性的效率远远好于任何其他已提出的协议认证的CHSH不等式或其他非局部性测试涉及不等式。因此，强调非不等式悖论作为设备无关的量子信息处理的重要资源，特别是产生真正的随机性。作为一个副产品，我们发现的非本地绑定的Cabello的论点与任意尺寸是相同的量子比特系统中实现的。更有趣的是，我们提出了一个新的维证人悖论的基础上Cabello的论点，它可以用来构造半设备无关的真随机数生成协议。
2014-02-08 quant-ph
Parallel and real-time post-processing for quantum random number generators
本文提出一种兼顾安全与实用性的种子更新方案，在 FPGA 上并行实时实现多个 Toeplitz 哈希提取器，以更少逻辑资源实现更大后处理矩阵和超过 20Gbps 的随机数生成速率，推动芯片级并行 QRNG 发展。
2024-03-28 quant-ph
Self-testing quantum randomness expansion on an integrated photonic chip
本文提出并实现了一种基于集成光子芯片的自检测量子随机数发生器，利用测量设备无关协议在容忍高损耗和噪声的同时产生可认证随机性，为硅光子平台上的规模化小型化自检测QRNG铺平道路。
2024-11-20 quant-ph
Maximal global device-independent randomness from projective measurements in every dimension
University of York（约克大学）；Polish Academy of Sciences（波兰科学院）；Gdańsk University of Technology（格但斯克理工大学）
本文证明使用投影测量可在任意局部维度d的双粒子系统中认证2log(d)比特设备无关随机性，达到理论最大值，并给出基于互无偏基的显式协议及噪声鲁棒性分析。
2026-06-23 quant-ph
Randomness: what is it and why does it matter?
本文针对随机性缺乏严格定义的问题，提出一种基于信息论、聚焦随机数生成物理过程的新定义，并引入“随机性偏差”度量生成质量，推导了马尔可夫过程下的表达式，为随机性的理解、证明与实际应用提供完整工具。
2024-09-27 cs.CR quant-ph
Random Number Generators in Advanced Optical Experiments: A Comparative Analysis of Semiclassical, Quantum, and Hybrid Architectures
St. Petersburg State University（圣彼得堡国立大学）；P.N. Lebedev Physical Institute（列别捷夫物理研究所）；Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）
本文比较了三种随机数生成器架构，探讨了高生成率与统计质量的平衡，并提出混合架构以提升随机数质量与生成速率。
2026-04-29 quant-ph
Discrete Randomness in Discrete Time Quantum Walk: Study via Stochastic Averaging
研究了离散二分随机变量对以SU（2）/U（1）陪集元为参数的重排矩阵的影响，研究了经典噪声在整数量子行走中的作用.根据量子统计矩和生成函数的分析，由完全正迹保持（CPTP）地图管理的演变，揭示了一个明显的最终过渡步行的扩散模式，从量子弹道制度的速度为O（t）的经典扩散制度的速度为O（\surdt），当条件（噪声参数的强度）^{2} \times（步骤的数量）=1，得到满足。经典的随机性的作用进行了研究表明，随机量子阱，当处理的随机平均水平上通过适当的CPTP平均映射，原来是相当于一个新的量化的经典行走没有随机性。这一结果强调了经典随机游走中量化/随机化的双重作用。
2012-07-22 math-ph math.MP quant-ph
Better Randomness with Single Photons
随机性是现代信息科学中最重要的资源之一，因为加密建立在对随机数的信任之上。由于不可能证明现有的随机比特串是否是真正随机的，因此它们在值得信任的过程中生成是相关的。这需要专门的随机数硬件，例如骰子或抛硬币。但是，当所有输入参数都已知时，它们的结果仍然可以预测。量子力学叠加允许可证明为真的随机比特生成。在过去的十年中，许多量子随机数发生器（QRNG）被实现。光子实现被描述为撞击在分束器上的光子，但是这样的协议很少用非经典光或反聚束单光子实现。相反，使用激光源或发光二极管。在这里，我们分析的差异，产生一个真正的随机位串与激光和反聚束光。我们表明，一个单光子源提供更多的随机性，甚至比一个更明亮的激光。这种可用熵的增益证明了在实验实现中真正的单光子相对于光的相干输入状态的优势。潜在的优势可以适用于显微镜和传感。
2014-11-13 physics.optics quant-ph
Unpredictable and Uniform RNG based on time of arrival using InGaAs Detectors
量子随机数发生器在高性能学习算法和安全准则的苛刻技术世界中变得必不可少。我们的实现基于量子力学的原则，使我们能够实现所需的随机性。我们利用弱相干源在通信波长上产生了高质量的量子随机数。熵基于预定义时间间隔内的量子态的到达时间。InGaAs单光子探测器的光子探测和5 ps的高精度时间测量使我们能够产生16个随机位每个到达时间，这是迄今为止报道的最高。我们提出了理论分析和实验验证的随机数生成方法。该方法消除了应用任何随机性提取器的要求，从而利用量子物理学的原理来生成随机数。输出数据速率平均为2.4 Mbps。在ENT和NIST平台上，将原始量子随机数与NIST规定的Blum-Blum-Shub伪随机数发生器和来自FPGA的内部构建的硬件随机数发生器进行比较。
2021-07-16 physics.optics quant-ph
