新加坡研發量子晶片：可自我驗證硬體完整性，同時產生安全隨機數

量子晶片實現硬體自我驗證，強化數位加密安全

新加坡國立大學研究團隊成功開發出一款量子隨機數產生器（QRNG）晶片，能在產生隨機數的同時，持續驗證自身硬體的完整性，解決了數位加密系統長期以來面臨的安全挑戰。

隨機數對於加密金鑰、安全交易、數位簽章及其他網路安全應用至關重要。現有的隨機數產生器，包括量子版本，都仰賴使用者信任其硬體元件能持續按照設計規格運作。一旦元件老化或遭到竄改，輸出結果可能在未被察覺的情況下變得可預測。

這款新晶片的設計目的就是消除這項風險，在運作過程中持續檢查其測量硬體是否如預期般正常運作。

由新加坡國立大學電機與電腦工程系副教授 Charles Lim 領導的研究團隊表示，這項技術可望強化金融、醫療、人工智慧及連網裝置等領域的安全性。

突破「信任硬體」模型

大多數量子隨機數產生器採用研究人員所稱的「信任裝置模型」（trusted-device model）。在這種模式下，雷射、調變器、偵測器等元件被假設在整個使用壽命期間都能符合其規格。

新晶片則採用「量測裝置無關協議」（measurement-device-independent protocol），使用者只需信任進入系統的量子光訊號，而無需信任負責測量的偵測器。

在運作過程中，晶片會產生已知的量子光態，並將偵測器的回應與量子理論的預測進行比對。若結果符合預期，系統便將資料轉換為經認證的隨機數；若不符合，程序則自動停止。

「量子隨機數產生器中的測量單元一直以來都非常難以精確描述，使其在實際使用中的可靠性難以保證。我們的解決方案消除了信任該單元在使用期間按規格運作的需求。」Charles Lim 副教授表示。

該裝置將訊號編碼器和光學偵測器整合在單一矽晶片上，採用半導體產業常用的八吋晶圓製程製造。與部分量子技術不同，此晶片可在室溫下運作，無需低溫冷卻設備。

研究人員也解決了矽基光學調變器的一項挑戰。調整光的相位時，可能會不經意改變其亮度，進而影響安全性。團隊開發了一種補償控制方法，能維持穩定的光學訊號。

安全性優先於速度

該晶片的偵測器達到了 69.1% 的總效率，超過協議所要求的最低 67%。測試也顯示，系統產生的經認證隨機位元數量超過其所消耗的輸入種子，確認了它能產生全新的隨機性。

研究人員將這款裝置描述為目前已展示的最安全的量子隨機數產生器晶片。其安全性分析假設了最壞情境——攻擊者可能擁有與偵測器本身的量子關聯。

這種高安全性帶來了速度上的取捨。目前實驗系統每秒僅產生 64 位元，遠低於傳統量子隨機數產生器可超過每秒 100 吉位元（Gbps）的速度。

研究團隊認為，透過改進偵測器技術，效能可大幅提升。研究人員在實驗室開發的光電二極體已達到 92.4% 的效率，模擬結果顯示未來版本的晶片可望達到每秒 68 百萬位元（Mbps）的資料速率。

「這款晶片為將實用的自我測試量子隨機數產生器整合到精巧、安全的系統中鋪平了道路。」Lim 副教授補充說道。

該研究成果已發表於《PRX Quantum》期刊。

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