作為事關(guān)國(guó)家信息和國(guó)防安全的前沿技術(shù)，量子通信此前已被正式寫(xiě)入國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。量子通信的核心是QKD——密鑰分發(fā)系統(tǒng)，而構(gòu)成QKD的核心則是激光器、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和單光子探測(cè)器。
九州量子北京研發(fā)中心正在這三個(gè)方向上尋找突破。此前九州量子北京研發(fā)中心主任，英國(guó)牛津大學(xué)工程科學(xué)系博士黃蕾蕾在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，他們的目標(biāo)是研發(fā)出世界上速率最快的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，并持續(xù)優(yōu)化，將設(shè)備做得更小更便宜。
量子隨機(jī)數(shù)生成器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)生器）在整個(gè)QKD系統(tǒng)中處于中間端，起的作用是對(duì)激光器發(fā)射的單光子進(jìn)行隨機(jī)數(shù)調(diào)制加密和解密，其關(guān)鍵作用不言而喻。
用普通芯片做出現(xiàn)有量子同類(lèi)產(chǎn)品相同性能
九州量子基于相位噪聲與真空漲落生產(chǎn)出兩種不同原理的產(chǎn)品。從一開(kāi)始，他們就瞄準(zhǔn)高速，準(zhǔn)備做Gbps的速率。往高端化發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)針對(duì)不同的用戶(hù)需求推出不同檔次的產(chǎn)品。
“高性能的產(chǎn)品，可能會(huì)用在一些大型服務(wù)器上。而比較終端的一些設(shè)備，用不了那么多隨機(jī)數(shù)，就可以使用成本第一點(diǎn)性能低一點(diǎn)的，”北京研發(fā)中心的研發(fā)工程師張大鵬向我們介紹。
要降低成本，需要從源頭上的選型開(kāi)始把握，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)，在這個(gè)過(guò)程中需要考慮到所用的物料，還有生產(chǎn)制造過(guò)程。這需要熟悉整個(gè)流程、有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、了解采購(gòu)渠道的工程師才辦得到。
在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中，芯片其實(shí)發(fā)揮著重要作用。目前關(guān)鍵芯片主要依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口，很多是限售品，不僅成本貴，而且難以大規(guī)模量產(chǎn)。“量子信息領(lǐng)域很多論文中使用的芯片在國(guó)際上實(shí)際對(duì)中國(guó)禁運(yùn)，而且不少關(guān)鍵器件雖然性能優(yōu)良但價(jià)格非常高。要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，就要用合理的成本、通用的芯片和常見(jiàn)的器件實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足客戶(hù)需求的性能，甚至是一些和論文中類(lèi)似的性能。但不能一味追求性能指標(biāo)的最高化，那更多是學(xué)術(shù)上的要求。我們是沖著產(chǎn)業(yè)化來(lái)的。”黃蕾蕾說(shuō)。
九州的目標(biāo)是用市面上可以買(mǎi)到的普通芯片，研發(fā)出一款穩(wěn)定的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，同時(shí)保證性能不低于甚至優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品。
升級(jí)產(chǎn)品安全程度，提高產(chǎn)品運(yùn)行性能
據(jù)了解，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器主要由三個(gè)模塊組成：光源、光電探測(cè)器和數(shù)字電信號(hào)處理電路板。
整個(gè)加密過(guò)程是這樣的：通過(guò)對(duì)光源的量子噪聲的探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。此后，數(shù)字電信號(hào)處理電路板將電信號(hào)隨機(jī)轉(zhuǎn)換成以0和1表達(dá)的數(shù)字信號(hào)，由FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后處理。
“初期的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)攻克了，目前已經(jīng)做出了產(chǎn)品樣機(jī)。下一步考慮怎么樣把它小型化，低成本化。”黃蕾蕾博士向我們介紹，“但我們同時(shí)也會(huì)往高端方向走，做更高安全等級(jí)的的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，比如像源和測(cè)量器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。“相較于國(guó)內(nèi)高速量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究領(lǐng)域，九州量子已躋身眾多優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)展前列。
據(jù)了解，九州量子目前研制出的這款隨機(jī)數(shù)發(fā)生器運(yùn)行速度頗佳，同時(shí)它還具備工作環(huán)境簡(jiǎn)單、高可靠性、高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)生產(chǎn)保證、高集成性的特點(diǎn)。產(chǎn)品還具有可熱插拔性，在插入/移除的過(guò)程中具有高可靠性，對(duì)正在操作使用中的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。
對(duì)于未來(lái)，北京研發(fā)中心負(fù)責(zé)人黃蕾蕾表示，九州量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要瞄準(zhǔn)安全性。發(fā)生器的安全程度主要分為兩種，一是設(shè)備無(wú)法被破壞者或者窺探者控制；另一種是即使設(shè)備被控制，生產(chǎn)出來(lái)的隨機(jī)數(shù)也是安全可靠的。接下來(lái)的目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化， “在這方面我們有信心”，黃蕾蕾表示。