近日，山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心激光與紅外系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐演平教授課題組與劉兆軍教授團(tuán)隊(duì)在并行快速光學(xué)隨機(jī)比特生成領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。課題組提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于譜時(shí)不相關(guān)隨機(jī)激光頻率梳的新型并行快速光學(xué)隨機(jī)比特生成機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Parallel Fast Random Bit Generation based on Spectrotemporally Uncorrelated Random Laser Comb”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)光學(xué)期刊《Laser & Photonics Reviews》。 

圖1. STU-BRFLC-based PRNG原理圖

隨機(jī)比特生成器（RBG）是科學(xué)研究、工程和社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施中多種應(yīng)用的關(guān)鍵組件，其應(yīng)用范圍包括密碼通信、蒙特卡洛模擬、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、彩 票以及隨機(jī)建模。偽隨機(jī)比特生成器雖然能產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)上均勻、獨(dú)立且高速的隨機(jī)比特序列，但其本質(zhì)是確定性算法，導(dǎo)致生成的序列具有可重復(fù)性，容易被預(yù)測(cè)，從而降低了密碼通信的信息安全性。相比之下，物理隨機(jī)比特生成器利用物理過(guò)程中的固有不確定性來(lái)生成隨機(jī)比特序列，具有高度隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性。 

圖2. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

并行化被視為一種提升RBG生成速率和可擴(kuò)展性的有效策略。并行隨機(jī)比特生成器（PRBG）不僅能通過(guò)多通道輸出組合成倍提高隨機(jī)比特吞吐率，還能滿足現(xiàn)代日益流行的并行高速信息架構(gòu)對(duì)多數(shù)據(jù)通道處理的迫切需求。物理PRBG的早期實(shí)現(xiàn)利用了空間上不相關(guān)的光學(xué)過(guò)程，例如二維成像、互不兼容的空間復(fù)用方案、激光陣列以及電子延遲線。然而，這些方案通常需要依賴大規(guī)模處理元件陣列以及嚴(yán)格的注入或反饋配置，顯著增加了PRBG的操作復(fù)雜性。盡管芯片級(jí)、空間不相關(guān)的多通道混沌源一定程度緩解了系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜度的問(wèn)題，但其精密制造與緊湊封裝的高成本、高功率運(yùn)行模式下的散熱挑戰(zhàn)，以及對(duì)環(huán)境干擾的低抗性，仍然嚴(yán)重制約了它們?cè)赑RBG中的應(yīng)用。 

圖3. 激光輸出的自相關(guān)結(jié)果 

圖4. 激光輸出的互相關(guān)結(jié)果

本研究創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于光譜-時(shí)間不相關(guān)多波長(zhǎng)隨機(jī)光纖激光器的并行RBG架構(gòu)，驗(yàn)證了隨機(jī)諧振腔中多波長(zhǎng)激光振蕩在通道間和通道內(nèi)具有光譜-時(shí)間不相關(guān)性，證實(shí)了其優(yōu)異的并行化能力，突破了傳統(tǒng)多波長(zhǎng)光纖激光器和光學(xué)頻率梳在波長(zhǎng)域?qū)崿F(xiàn)PRBG的技術(shù)瓶頸。基于此概念，我們構(gòu)建并驗(yàn)證了基于光譜-時(shí)間不相關(guān)布里淵隨機(jī)光纖激光器（STU-BRFL）的PRBG系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)比特生成的光譜并行化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)31通道PRBG架構(gòu)，單通道速率達(dá)到35 Gbps，組合多通道總吞吐量高達(dá)1.085 Tbps。生成比特流的隨機(jī)性通過(guò)了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）統(tǒng)計(jì)測(cè)試套件的嚴(yán)格驗(yàn)證。基于STU-BRFL的PRBG還展現(xiàn)出便捷的信道可擴(kuò)展性，這是提升PRBG比特率與信道數(shù)量的關(guān)鍵特性。該技術(shù)將在加密通訊、計(jì)算機(jī)仿真、統(tǒng)計(jì)抽樣、隨機(jī)算法等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 

圖5. 隨機(jī)序列生成及測(cè)試結(jié)果

山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心徐演平教授為本文的通訊作者，研究生龐玉喜（導(dǎo)師：徐演平教授）為第一作者，山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心和激光與紅外系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位和通訊作者單位。徐演平教授課題組和劉兆軍教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于光纖激光與傳感技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，研究成果先后發(fā)表在Advanced Photonics Nexus、Sensors and Actuators B: Chemical、Journal of Lightwave Technology、IEEE Internet of Things Journal、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等學(xué)術(shù)期刊上。相關(guān)研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者、山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者等科研項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500675