ICS 33.040.01 CCS M30 YD 中华人民共和国通信行业标准 YD/T XXXX-XXXX 量子随机数发生器技术规范 Technical specifications for Quantum Random Number Generator (QRNG) （报批稿） XXXX - XX - XX 发布 XXXX-XX-XX 实施 中华人民共和国工业和信息化部 发布 YD/T XXXX—XXXX 前言 本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国通信标准化协会提出并归口。 本文件起草单位：中国信息通信研究院，科大国盾量子技术股份有限公司，安徽问天量子科技股份 有限公司，清华大学，合肥国家实验室，上海循态量子科技有限公司，国开启科量子技术（安徽）有限 公司，中国电子科技网络信息安全有限公司，中电信量子信息科技集团有限公司，合肥硅臻芯片技术有 限公司，江苏亨通问天量子信息研究院有限公司，弦海（上海）量子科技有限公司，世融能量科技有限 公司，国科量子通信网络有限公司，中国电信集团有限公司，浙江九州量子信息技术股份有限公司，华 为技术有限公司，中国信息通信科技集团有限公司，武汉光谷信息光电子创新中心有限公司，中国移动 通信集团有限公司，山东量子科学技术研究院有限公司，武汉量子技术研究院。 本文件主要起草人：赖俊森、王敬、应勇、李东东、凌杰、刘婧婧、李俊林、刘宇轩、聂友奇、张 萌、周颖明、王其兵、徐兵杰、杨杰、彭星翔、丁禹阳、赵良圆、夏从俊、陈切春、李明翰、程明、钱 懿、李政宇、肖希、华昕、田野、唐世彪、韩玄。 II YD/TXXXX—XXXX 量子随机数发生器技术规范 1范围 本文件规定了量子随机数发生器的功能模型、技术方案、技术要求和测试方法。 本文件适用于量子随机数发生器的研制、检测、使用和管理。 2规范性引用文件 2 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本 文件。 GB/T4882-2001 数据的统计处理和解释正态性检验 GB/T43692-2024 4量子通信术语和定义 GM/T0005-2021 随机性检测规范 GM/T 0103-2021 随机数发生器总体框架 YD/T3907.3-2021 基于BB84协议的量子密钥分发（QKD）用关键器件和模块第3部分：量子随 机数发生器（QRNG） ITU-T X.1702-2019 量子噪声随机数发生器结构（Quantumnoiserandomnumbergenerator architecture) NIST SP 800-90B-2018 3用于随机比特生成的熵源的建议（RecommendationfortheEntropySources Used for Random Bit Generation) 3 术语和定义 GB/T43692-2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3. 1 量子炳源 quantum entropy source 基于量子力学原理所保证的随机性过程产生输出的部件、设备或事件，其输出是包含的随机信号。 4缩略语 下列缩略语适用于本文件。 ADC：模数转换器（Analog-to-DigitalConverter） APD：雪崩光电二极管（AvalanchePhotodiode） ASE：放大自发辐射（AmplifiedSpontaneousEmission） CMOS：互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor） IID：独立同分布（IndependentIdenticallyDistribution） LED：发光二极管（LightEmittingDiode） 1 YD/T XXXX—XXXX MTBF：平均无故障运行时间（MeanTimeBetweenFailures） QRNG：量子随机数发生器（QuantumRandomNumberGenerator） SLED：超辐射发光二极管（SuperLightEmittingDiode） 5功能模型 量子随机数发生器（QRNG）基于量子力学效应产生随机数，总体框架参考GM/T0103-2021，包括 量子熵源、数字化处理、后处理、量子熵源监测、原始序列监测和随机数序列监测等功能模块，产品的 物理形态可为设备、模块、板卡、芯片等。QRNG功能模型和参考配置，如图1所示。 量子焰源 原始 原始 随机数 SRV 量子志 ，信号 数字化 序列 序列 量子态 H 后处理 制备 测景 处理 So S. 随机数序列 施源 监测 状恋 原始序列 信号 SM 量子随机 量子娟源 数发生器 监测 状态监测结果 图1QRNG功能模型 图1中定义了QRNG的2个外部参考点和3个内部参考点，具体含义如下： SQ表示QRNG的摘源状态信号输出参考点； 一So表示QRNG的原始信号输出参考点； 一Ss表示QRNG的原始序列输出参考点； 一SRN表示QRNG的随机数序列输出参考点； 一SM表示QRNG的状态监测结果输出参考点。 量子熵源由量子态制备模块和量子态测量模块组成，其基本功能架构描述见ITU-TX.1702-2019。 量子态制备模块产生包含量子态的信号，该信号在测量缩前处于叠加态，测量缩具有内票的随机特 性。量子态测量模块对量子态信号进行测量和采样，使其缩，输出包含量子内烹随机性的原始信号。 量子态测量模块为经典物理系统，不具备随机特性。量子熵源根据量子随机过程产生和测量方式的不同， 可有多种技术实现方案，具体介绍见第6章。 量子摘源监测模块为可选模块，可利用原始信号或量子摘源状态信号，监测量子滴源的工作状态和 原始信号分布，提供状态监测结果输出。 数字化处理模块为可选模块，先对原始信号进行数字化采样，然后将数字化采样值映射为均匀分布 的二进制序列，输出原始序列。该映射非后处理，原始序列和数字化采样值刻度区间存在严格映射关系。 原始序列监测模块利用原始序列进行熵值和工作状态监测，可监测量子摘源和数字化处理模块的工 作状态，提供摘监测值和状态监测结果输出 后处理模块为可选模块，采用特定数学算法对原始序列进行处理，输出随机数序列。当系统受经典 噪声影响较大，导致原始序列非满或无法通过随机性统计检测时，可对原始序列进行后处理信息压缩， 使之成为满的随机数序列并具备更好的统计特性。 随机数序列监测模块为可选模块，可对随机数序列进行在线随机性检测和随机数输出速率监测，提 供状态监测结果输出。 2 YD/T XXXX—XXXX 6量子炳源技术方案 QRNG的量子熵源技术方案主要包括相位涨落、真空涨落、ASE噪声、多光子态和电子隧穿，其随 机性来源和实现方案如表1所示。QRNG量子滴源的技术方案具体介绍见附录A。 表1QRNG的量子熵源随机性来源与实现方案 源技术方案 随机性来源 实现方案 通过不等臂长干涉仪将相位涨落转化为光强涨落 临界状态的激光器中产生自发辐射光子的随 相位涨落 经光电探测器转化为幅值随机变化的电信号，之后 机相位涨落。 进行数字化处理和后处理，输出随机数序列。 通过本振光对真空态进行零差探测，获得包含真空 真空态（特殊相干态）正则分量测量的随机 真空涨落 态涨落的量子散粒噪声电信号，之后进行数字化处 涨落。 理和后处理，输出随机数序列， 通过光电探测器将量子噪声信号转化为电信号，之 ASE噪声 ASE光源量子噪声，例如SLED。 后进行数字化处理和后处理，输出随机数序列。 低光强LED光信号光子数分布和CMOS阵列探 1CMOS探测响应电信号经过数字化处理和后处理， 多光子态 测器光子探测过程中引入的随机性。 输出随机数序列。 固体材料中的电子隧穿效应，例如工作于雪 」通过检测电子隧穿信号的有无，经过后处理，输出 电子隧穿 崩模式的APD。 随机数序列。 7技术要求 7.1功能要求 7.1.1量子炳源 量子炳源是QRNG随机性的唯一来源，其实现方案应基于量子力学原理实现的量子随机过程。 7. 1. 2 数字化处理 QRNG如果包含数字化处理模块，其数字信号采样率宜小于等于量子熵源输出原始信号功率谱密度 函数的3dB带宽的两倍。数字化处理模块为经典物理系统，可能受到采样带宽限制和量化噪声等经典噪 声影响，在模块设计和实现过程中应对此加以考虑并尽可能降低其影响。 7.1.3后处理 QRNG如果包含后处理功能模块，可采用不同类型算法方案，算法方案描述见附录B，宜采用Toeplitz 提取器等强随机数提取器方案。后处理过程不能降低每比特的最小摘，应根据原始序列的评估值确定 输入输出序列的大小、速率和压缩比。如果后处理算法使用初始种子，需要说明种子的来源，并做统计 性检测。 7.1.4量子炳源监测 QRNG如果包含量子炳源监测模块，应支持基于原始信号或摘源状态信号分析的炳源工作状态监测 功能并输出监测结果。量子摘源监测功能应在量子滴源正常运行过程中持续或周期性执行，不应导致量 子熵源的输出被抑制或输出速率被减低。当量子熵源出现劣化、偏差或失效时，量子炳源监测模块应支 3 YD/T XXXXXXXX 持异常状态告警和中断原始信号输出等功能，可支持对量子熵源的重置恢复、反馈控制与补偿调节等功 能。 7.1.5原始序列监测 原始序列监测模块应支持基于原始序列分析的在线熵源健康检测功能并输出监测结果，