山东大学团队研发谱时不相关随机激光频率梳，突破并行物理随机数关键技术瓶颈

    数字信息时代，信息安全保障、高性能计算支撑及复杂系统建模分析均离不开高质量随机数技术。在密码通信、量子密钥分发、蒙特卡洛模拟、硬件安全模块及人工智能系统等关键领域，具备不可预测性的“真随机”比特流是保障系统稳定运行与信息安全的核心基础。当前广泛应用的伪随机比特生成器虽在统计随机性上表现尚可，但其依赖确定性算法的本质导致序列存在可预测性，难以满足高安全等级场景需求。相比之下，基于量子涨落、热噪声、光学散射或激光混沌等物理过程的物理随机比特生成器，因根植于自然规律的不可预测性，已成为信息安全领域的核心技术方向之一。
    近期，山东大学徐演平教授团队在物理随机数技术领域取得重大突破。该团队通过构建谱时不相关随机激光频率梳，成功实现31通道并行快速随机比特生成，单通道比特率达35Gbps，总吞吐率突破1.085Tbps。此项成果不仅打破了传统多波长激光系统在通道相关性、扩展性及随机性方面的技术瓶颈，更以原创性技术方案为高速安全通信、量子信息及高性能计算等领域提供了新一代物理随机数解决方案。相关研究成果已发表于激光与光子学领域国际顶级期刊《Laser&PhotonicsReviews》，彰显了我国在该技术领域的领先地位。

    一、伪随机数与物理随机数的本质差异：高安全场景对“真随机”的刚需
    随机数的核心价值在于“不可预测性”，而生成机制的差异直接决定其安全性与适用性，二者的本质区别主要体现在以下方面：
    伪随机数的局限性：伪随机数基于数学算法（如线性同余算法、梅森旋转算法等）生成，其序列虽在统计特性上符合随机分布，但初始“种子”与算法的确定性导致序列可被完全复现。在密码通信、量子密钥分发等对随机性要求极高的场景中，此类可预测性将直接引发安全隐患，无法满足高安全等级系统的需求。
    物理随机数的不可替代性：物理随机数从自然物理过程中提取随机性，如电路热噪声、激光混沌波动、光子量子隧穿效应等。此类过程受量子力学规律支配，不存在确定性演化轨迹，能够生成真正具备不可预测性的“真随机”序列，是高安全场景下的必要选择。
    随着5G/6G通信、数据中心算力需求的爆发式增长，单通道物理随机数的速率已难以满足千亿比特级的吞吐需求。例如，大型蒙特卡洛金融风险模拟、量子通信网络密钥分发等场景，均需每秒数百Gbps乃至Tbps级的随机数输入，传统单通道系统已无法适配此类需求。在此背景下，“并行化”成为提升物理随机数生成速率与扩展性的关键技术路径——通过多通道同时生成随机数，可使总吞吐率呈倍数增长，从而满足高带宽场景需求。

    二、传统并行物理随机数方案的技术瓶颈：相关性与扩展性的双重制约
    尽管并行化思路明确，但传统并行物理随机数方案长期面临两大核心技术瓶颈，制约其规模化应用：
    1.通道相关性难以消除：多波长激光器是并行物理随机数系统的核心光源，但传统设计中，不同波长的激光存在“频谱耦合”现象——单一通道的光强波动会通过能量传递影响其他通道，导致多通道共享同一随机性来源，形成“非真正并行”的局面。此类相关性将大幅降低随机序列的熵值（不确定性），不符合高安全场景对随机性的要求。
    2.系统复杂度高且扩展性差：早期并行方案主要依赖“空间复用”（如多组激光阵列）或“级联电路调控”实现多通道输出，不仅系统体积庞大、制造成本高昂，还面临严重的散热难题。例如，基于激光阵列的并行系统在通道数增至10以上时，相邻阵列的串扰会导致随机性骤降；而级联电路方案则因信号延迟差异，进一步加剧通道间的相关性，难以实现规模化扩展。
    上述瓶颈导致并行物理随机数技术长期停留在“低通道、低速率”阶段，无法适配高速安全通信、量子计算等前沿领域的需求。

    三、多光学效应协同调控：破解谱时相关性难题的原创技术路径
    徐演平教授团队的核心创新在于，摒弃传统硬件堆叠的思路，通过巧妙设计光学效应组合，实现多波长激光的“谱时双不相关”——即频率（谱）与时间（时）维度上的完全独立，从根源上解决通道相关性问题。该团队在布里渊光纤激光器中引入三大关键物理过程，构建了谱时不相关随机激光频率梳，具体技术路径如下：
    1.级联受激布里渊散射（CascadedStimulatedBrillouinScattering,CSBS）：作为典型的光学非线性效应，受激布里渊散射（SBS）的作用机制为泵浦光与光纤中的声学声子相互作用，生成频率间隔均匀的斯托克斯光（波长大于泵浦光）与反斯托克斯光（波长小于泵浦光）。团队采用级联结构进一步扩展波长数量，为多通道并行输出提供了充足的光源“原料”，可生成十余阶斯托克斯/反斯托克斯光，满足多通道需求。
    2.准相位匹配四波混频（QuasiPhaseMatchedFourWaveMixing,QPMFWM）：若说CSBS的核心作用是“生成多波长”，则QPMFWM的作用是“调控能量分配”。团队通过准相位匹配技术，打破不同波长间的固定能量传递关系，使能量在各激光线间实现“无序再分配”，从机制上削弱通道间的相关性，为通道解耦奠定基础。
    3.随机模式共振（RandomModeResonance）：团队进一步利用光纤中的瑞利散射（光的无规则散射效应），在激光器中引入“随机模式共振”。此类共振会使激光的振幅、相位产生不可预测的微小波动，相当于为每个通道“注入独立的随机性来源”，最终实现多波长激光在频率与时间维度上的完全不相关，即“谱时双不相关”。
    上述三大光学效应的协同调控，既解决了“多通道光源从何而来”的问题（CSBS生成多波长），又攻克了“如何实现通道独立”的核心难题（QPMFWM+随机模式共振消除相关性），为真正意义上的并行物理随机数生成扫清了技术障碍。

    四、实验验证：31通道并行输出、1.085Tbps总吞吐率及随机性合规性
    为验证技术方案的可行性，徐演平教授团队搭建了完整的实验系统（如图2所示），核心结构包括：泵浦激光源、高非线性光纤（HighNonlinearFiber,HNLF）、单模光纤（SingleModeFiber,SMF）、偏振控制器（PolarizationController,PC）、光隔离器（Isolator,ISO）、可变光衰减器（VariableOpticalAttenuator,VOA）及光谱解复用器等。实验流程分为三个关键环节：
    1.光源生成：泵浦激光经HNLF与SMF传输，通过CSBS、QPMFWM及随机模式共振效应，生成谱时不相关的多波长激光频率梳；
    2.通道划分：利用光谱解复用器将不同波长的激光分配至31个独立通道，实现多通道并行输出；
    3.数字化处理：采用对数高阶导数算法对各通道的光强波动信号进行数字化处理，提取14位最低有效位（LeastSignificantBits,LSBs）用于随机比特生成，确保序列的高熵值与对称性。
    实验结果全面达到预期目标，核心性能指标如下：
    速率突破：31个通道的单通道随机比特率均稳定达到35Gbps，总吞吐率高达1.085Tbps（即每秒生成超过1×10¹²个随机比特），可支撑上千个量子通信链路的同时密钥分发需求；
    随机性合规：团队将生成的随机比特序列送入“美国国家标准技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology,NIST）随机数测试套件”进行验证。该套件包含15项核心测试（涵盖频率检验、游程检验、线性复杂度检验、近似熵检验等），31个通道的序列均一次性通过所有测试，证明其具备“真随机”的核心特性；
    稳定性优异：实验过程中，激光频率梳的功率波动（RootMeanSquare,RMS）小于±0.1%，光束质量（M²因子）保持稳定，长时间运行（连续72小时）后，通道间的相关性系数仍低于0.01，满足工业级应用的可靠性要求。

    五、应用前景：为高速安全通信、量子信息等领域提供核心技术支撑
    此项研究的意义不仅在于实现“速率突破”，更在于为物理随机数技术提供了全新范式，为多个前沿领域的发展奠定了关键技术基础，具体应用前景包括：
    1.高速安全通信领域：在6G移动通信、卫星通信及海底光通信中，1.085Tbps的并行随机数可实时生成加密密钥，为海量数据传输提供安全保障，有效抵御窃听与破解攻击；
    2.量子信息领域：量子密钥分发（QuantumKeyDistribution,QKD）需高熵随机数作为密钥基础，该系统生成的随机数可直接适配量子链路，将QKD网络的密钥生成速率提升一个数量级；
    3.高性能计算领域：蒙特卡洛模拟、分子动力学计算等场景依赖大量随机数输入，并行高速率随机源可显著缩短计算耗时——例如，某金融机构的信用风险模拟任务，在采用该技术后，计算耗时从传统方案的4小时压缩至28分钟；
    4.AI与硬件安全领域：人工智能模型的训练数据增强、芯片硬件的防篡改验证均需高质量随机数，该技术可集成至芯片级系统，提升AI训练效率与硬件设备的安全等级。
 
    山东大学徐演平教授团队研发的谱时不相关随机激光频率梳技术，不仅突破了并行物理随机数的关键技术瓶颈，更以原创性方案拓展了物理随机数的应用边界。此项技术既展现了光子学在信息安全领域的巨大潜力，也为数字时代的“随机数刚需”提供了坚实解决方案。未来，随着该技术向小型化、集成化方向发展，有望进一步集成至手机、量子芯片等终端设备，为更多场景构建安全、高效的随机数支撑体系，推动高速安全通信、量子计算等领域的跨越式发展。