YD/T 6445-2025

NIST SP 800-90B-2018 用于随机比特生成的熵源的建议（Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation） 3 术语和定义 GB/T 43692-2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 量子熵源 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，其输出是包含熵的随机信号。

4 缩略语下列缩略语适用于本文件。 ADC：模数转换器（Analog-to-Digital Converter） APD：雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode） ASE：放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission） CMOS：互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor） IID：独立同分布（Independent Identically Distribution） LED：发光二极管（Light Emitting Diode） std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 2 MTBF：平均无故障运行时间（Mean Time Between Failures） QRNG：量子随机数发生器（Quantum Random Number Generator） SLED：超辐射发光二极管（Super Light Emitting Diode） 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/T 0103-2021，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。 量子态制备量子态测量量子熵源数字化处理后处理原始信号原始序列随机数序列量子熵源监测原始序列监测随机数序列监测量子随机数发生器状态监测结果 SRN SM SO SS SQ 熵源状态信号图 1 QRNG 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的熵源状态信号输出参考点； — SO表示QRNG的原始信号输出参考点； — SS表示QRNG的原始序列输出参考点； — SRN表示QRNG的随机数序列输出参考点； — 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-T X.1702-2019。 量子态制备模块产生包含量子态的信号，该信号在测量坍缩前处于叠加态，测量坍缩具有内禀的随机特性。量子态测量模块对量子态信号进行测量和采样，使其坍缩，输出包含量子内禀随机性的原始信号。 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。 量子熵源监测模块为可选模块，可利用原始信号或量子熵源状态信号，监测量子熵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，可监测量子熵源和数字化处理模块的工作状态，提供熵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，导致原始序列非满熵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， 使之成为满熵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。 std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 3 6 量子熵源技术方案 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量子熵源的技术方案具体介绍见附录A。 表 1 QRNG 的量子熵源随机性来源与实现方案熵源技术方案随机性来源实现方案相位涨落临界状态的激光器中产生自发辐射光子的随机相位涨落。 通过不等臂长干涉仪将相位涨落转化为光强涨落，经光电探测器转化为幅值随机变化的电信号，之后进行数字化处理和后处理，输出随机数序列。 真空涨落真空态（特殊相干态）正则分量测量的随机涨落。 通过本振光对真空态进行零差探测，获得包含真空态涨落的量子散粒噪声电信号，之后进行数字化处理和后处理，输出随机数序列。 ASE 噪声 ASE 光源量子噪声，例如SLED。 通过光电探测器将量子噪声信号转化为电信号， 之后进行数字化处理和后处理，输出随机数序列。 多光子态低光强LED 光信号光子数分布和CMOS 阵列探测器光子探测过程中引入的随机性。 CMOS 探测响应电信号经过数字化处理和后处理， 输出随机数序列。 电子隧穿固体材料中的电子隧穿效应，例如工作于雪崩模式的APD。 通过检测电子隧穿信号的有无，经过后处理，输出随机数序列。

7 技术要求功能要求 7。

1 量子熵源量子熵源是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。

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。

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熵，应根据原始序列的熵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。

4 量子熵源监测 QRNG如果包含量子熵源监测模块，应支持基于原始信号或熵源状态信号分析的熵源工作状态监测功能并输出监测结果。量子熵源监测功能应在量子熵源正常运行过程中持续或周期性执行，不应导致量 std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 4 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，量子熵源监测模块应支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。

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，按照YD/T 3907.3-2021中5.3的要求执行，推荐的检测方法包括重复计数检测和自适应比例检测，具体检测方法描述见附录C。在线熵源健康检测功能应在量子熵源和数字化模块正常运行过程中持续或周期性执行，不应导致量子熵源和数字化模块的输出被抑制或输出速率被减低。当量子熵源或数字处理模块产生劣化、 偏差或失效时，原始序列监测模块应支持异常状态告警和中断原始序列输出等功能，可支持对量子熵源或数字化处理模块的重置恢复、反馈控制与补偿调节等功能。 原始序列监测模块可支持基于原始序列分析的在线熵值监测功能，按照YD/T 3907.3-2021中5.2的要求，在线监测熵值作为状态监测结果输出。 原始序列监测模块应支持原始序列的输出功能，输出的原始序列可用于独立同分布检测和最小熵评估，其中独立同分布检测按照8.2.3的要求执行，最小熵评估按照8.2.4的要求执行。

6 随机数序列监测 QRNG如果包含随机数序列监测模块，应支持随机数序列输出速率监测功能并输出监测结果。应支持基于随机数序列分析的在线随机性检测功能，实现方式按照YD/T 3907.3-2021中5.5的要求执行，在线随机性检测结果作为状态检测结果输出。在线随机性检测不通过时，应支持异常状态告警和中断随机数序列输出等功能。 性能要求 7。

1 原始信号分布原始信号分布是QRNG SO点输出原始信号的时域或频域统计特性分布，如正态分布、二项式分布、 泊松分布等。当原始信号由多位ADC量化时，统计特性分布测试应使用ADC直接输出值。 QRNG应提供其使用熵源技术方案对应的原始信号理论统计分布的说明，应支持对原始信号分布进行测试验证，测试结果应与理论统计分布一致。

2 原始序列输出速率原始序列输出速率是指QRNG SS点在单位时间内输出二进制序列比特数，单位为Mbit/s。 QRNG应提供原始序列输出速率的标称值说明，应支持对原始序列输出速率进行测试验证。

3 原始序列独立同分布特性原始序列独立同分布特性是指QRNG SS点输出的原始序列服从同一分布并且相互独立的特性，以原始序列独立同分布检测通过率表征。独立同分布特性反映了量子熵源的量子特性。 QRNG应提供是否满足原始序列独立同分布特性的说明。对于满足原始序列独立同分布特性的 QRNG，应支持对原始序列独立同分布特性进行测试验证，原始序列独立同分布测试的通过率应不低于标称值。

4 原始序列最小熵原始序列最小熵是对QRNG SS点输出原始序列进行最小熵评估和归一化处理后得到的最小熵值， 单位bits/bit，取值范围0~1。原始序列最小熵反映了量子熵源的随机性。 std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 5 QRNG应提供原始序列最小熵的评估说明和理论值，应支持对原始序列最小熵进行测试验证，测试结果应大于等于最小熵理论评估值。

5 后处理压缩比后处理压缩比是指QRNG采用后处理算法时，设置输出随机数序列和输入原始序列的数据块大小 （或速率）的固定比值。后处理压缩比应不高于原始序列最小熵。 QRNG采用后处理算法时，应提供后处理压缩比的标称值说明，应支持对后处理压缩比进行测试验证，测试结果应与标称值一致。

6 随机数序列输出速率随机数序列输出速率是指QRNG SRN点单位时间内输出二进制序列比特数，单位为Mbit/s。 QRNG应提供随机数序列输出速率的标称值说明，应支持对随机数序列输出速率进行测试验证，测试结果应与标称值一致。

7 随机数序列随机性 QRNG SRN 点输出的随机数序列，其随机性应符合GM/T 0005-2021 要求。 其他要求 7。

1 环境温度适应性 QRNG的环境温度适应性包括可保证系统正常工作状态的工作温度范围，以及在非工作状态下可保证系统功能和性能完整性的存储温度范围。 QRNG应提供工作温度范围和存储温度范围的标称值说明，应支持不超出温度标称值范围的环境温度测试验证，系统功能和性能在测试过程中应保持一致性。

2 长期稳定性 QRNG长期稳定性可包括连续运行时间和平均无故障运行时间（MTBF）等指标。 QRNG应提供长期稳定性设计指标说明，应支持长期稳定性测试，测试结果应与标称值一致。

3 功耗 QRNG应提供功耗设计指标的说明，应支持功耗测试，测试结果应与标称值一致。

4 重启独立性 QRNG在每次重启之后产生的原始序列相互之间无关联，应满足随机性要求。

8 测试方法功能测试 8。

1 量子熵源 QRNG供应商应提供量子熵源的技术方案、系统架构、理论分析模型等证明材料，包括必要的光学设计图、软件源代码、硬件电路图和FPGA源代码等。记录QRNG的量子熵源技术方案证明材料，包括 std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 6 技术方案、系统架构、最小熵理论评估模型及其结果等关键信息，可通过代码走查、光路/电路检查等方式，验证其技术方案和系统实现的合理性和正确性。

2 数字化处理 QRNG如果包含数字化处理模块，供应商应提供实现方案、核心组件和性能参数等证明材料。记录 QRNG的数字化处理模块实现方案、核心组件和性能参数等关键信息，验证其技术方案和系统实现的合理性和正确性。

3 后处理 QRNG如果包含后处理模块，供应商应提供实现方案、算法设计和压缩比例等必要证明材料。若算法方案采用非密码学算法，应提供非密码学算法处理合理证明材料。若算法方案采用密码学后处理，应提供算法正确性自测试的详细说明。记录QRNG的后处理算法方案、输入输出序列（速率）大小和压缩比标称值等关键信息，可通过代码走查、功能检查、数据采样等方式，验证其算法方案和系统实现的合理性和正确性。

4 量子熵源监测 QRNG如果包含量子熵源监测模块，供应商应提供实现方案和监测输出结果等证明材料。记录 QRNG的量子熵源监测功能实现方案，可通过模拟量子熵源劣化或失效，验证量子熵源监测结果输出的正确性。

5 原始序列监测 QRNG供应商应提供原始序列监测模块的实现方案和监测输出结果等证明材料。记录QRNG的原始序列监测功能实现方案，验证原始序列输出功能支持情况。可通过模拟量子熵源或数字处理模块产生劣化、偏差或失效，验证原始序列监测结果输出的正确性，以及在线熵值监测输出结果的正确性。

6 随机数序列监测 QRNG如果包含随机数序列监测模块，供应商应提供实现方案和监测输出结果等证明材料。记录 QRNG的随机数序列监测功能模块实现方案，验证随机数序列输出和速率统计功能，以及输出接口类型等。可通过模拟量子熵源、数字化处理模块或后处理模块产生劣化、偏差或失效，验证随机数序列监测输出结果的正确性。 性能测试 8。

1 原始序列输出速率在QRNG正常工作状态下，可通过原始序列监测模块的监测结果记录原始序列输出速率，也可使用测试工具、模拟器或者上位机连接QRNG，经SS接口进行原始序列输出采集，统计单位时间内QRNG输出的全部原始序列比特数，计算得到原始序列输出速率。

2 原始信号分布按照下列步骤进行原始信号分布测试： a) 经QRNG SO接口进行原始信号输出采集，采集足够数量的量子熵源输出的原始信号数据； b) 根据QRNG 技术方案的原始信号理论分布，对采集样本计算相应的统计量； c) 根据理论分布计算拒绝域临界值，验证统计量是否超过临界值，显著性水平𝛼可以在0.10、 0.05 和0。

01 中选择； std.miit.go std.miit.go std.miit.go YD/T XXXX—XXXX 7 d) 当原始信号理论分布为正态分布时，可按照GB/T 4882-2001 要求进行验证； e) 当原始信号理论分布为其他分布时，可将采集样本统计分布与其理论分布进行拟合验证。