德思特应用 | 前沿量子随机数研究：多特蒙德工业大学如何通过高速数字化仪保障信息安全

一、量子随机数的价值与挑战

利用量子过程生成真正不确定的随机数，对于密码协议、安全应用或蒙特卡洛模拟等具有重要意义。然而，这一过程可能受到经典噪声的影响，成为窃听者潜在的信息来源。尽管相关窃听攻击已有较多理论研究，但实验验证仍相对缺乏。

二、实验方案：构建量子窃听检测系统

多特蒙德工业大学的研究团队设计了一套精密的实验系统，以实际验证量子随机数生成器（QRNG）的窃听风险。

1.实验原理

实验基于量子光学中的平衡零差探测技术。通过一个强激光（本地振荡器）与一个极弱且相位随机的信号光（热光源）进行干涉，测量其光电流的量子涨落（散粒噪声），以此提取真正的量子随机性。

2.核心设备

• 光源系统：脉冲Ti:sapphire激光器（本地振荡器，其脉冲持续时间约为120fs，重复频率约为75.4MHz）与Toptica Dlpro连续波二极管激光器（热光源，该激光器的工作状态远低于阈值）。
• 信号处理链路：经同相检测器、滤波网络、电压放大器逐级处理。
• 数据采集核心：采用德思特优质合作伙伴 Spectrum Instrumentation M4i.2234-x8 8Bit 5GS/s数字化仪，最终以每通道1.25 GS/s的采样率完成高精度模数转换。

3.实验流程

①光源准备：两束波长相同（830 nm）的激光被制备好——一束是强且稳定的脉冲激光（本地振荡器），另一束是极弱的连续激光（热光源），两者相位互不锁定。

②信号探测与提取：两束光在一个特制的同相检测器中汇合并发生干涉，产生的光电流信号被转换为电压信号。

③信号净化与放大：电压信号先后经过滤波（滤除干扰频率）和放大，以提高信噪比和测量精度。

④核心数字化采集：处理后的模拟信号，最终由M4i.2234-x8高速数字化仪进行采集，将其转换为高精度的数字数据。关键的是，系统能以高采样率同时记录多通道数据并附加精确时间戳。

⑤数据处理与安全分析：通过分析数字化后的数据（特别是正交分量的直方图和时间戳信息），研究人员能够重构测量过程，并精确评估潜在的窃听者（Eve）可能从中获取多少额外信息，从而定量分析该量子随机数生成系统的实际安全性。

三、M4i.2234-x8数字化仪的关键角色

在该研究中，数字化仪不仅负责高速数据采集，其多通道同步与时间戳记录能力构成了实验的独特优势。系统能同时记录信号的正交直方图，并为每个检测事件打上精确时间戳。这使研究人员能够进行后验分析，精确量化窃听者在理论上可能获取的额外信息量。

四、客户价值：从理论到实证的安全评估

通过本次实验，研究团队实现了对量子随机数生成器安全性的实证评估。高速、多维度数据采集将窃听攻击从理论模型转化为可观测、可量化的实验结果，为构建真正安全的密码学系统与量子通信协议提供了关键的实验依据和数据支撑。