随机数是密码算法的基础，几乎所有的密码学算法都需要使用随机数。随机数由随机数发生器产生，数据流中的每一位都是不可预算的、偶然的，但是从一定长度的数据流来看，它又符合某种分布。随机数发生器具备以下三个属性：（1）看起来具备随机性；（2）不可预测性；（3）不能被可靠地重复产生。
通常随机数发生器可分为三种：真随机数发生器（TRNG，True Random Number Generator）、伪随机数发生器（PRNG，Pseudo Random Number Generator）和密码学安全随机数发生器（CSPRNG，Cryptographically Secure Pseudo Random Number Generator）。
TRNG是真正的随机数，来源难以获得。包括物理噪声类的发生器，如离子辐射事件的脉冲检测器、气体放电管和带泄漏的电容；电脑的硬件中断、定时器偏差等。
PRNG是通过某一种确定算法来生成随机数，它们并不是真正的随机数，而是看起来是随机的，即可以通过我们所能找到的所有随机性统计检验。由于这些数字有可重复性，所以它们是伪随机数。很多编译器都提供有自带的随机数发生器rand()或random()。
CSPRNG除了具备PRNG的属性外，还具备一些密码学要求的属性。
粒子的状态是随机的，比如磁量子数，自旋，主量子数，每一个状态事先标定对应一个数，然后再进行测量，这样你就可以得到一串真正的随机数，因此，我们这次提到的量子随机数发生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）是真随机数发生器。
工作原理
QRNG种类繁多，原理各不相同，目前较为成熟且已商用化的包括基于相位涨落QRNG、基于真空噪声QRNG、基于放大自发辐射QRNG和基于分支路径QRNG。4类QRNG的技术特点总结如下所示。
其中以基于放大自发辐射的QRNG为例介绍其工作原理。在QRNG的设计中，人们受到的最大制约在于量子噪声比较微弱，探测难度较大，即使可以探测，由于信号本身很弱，十分容易受到经典噪声的干扰，比如基于量子真空态涨落的量子随机数发生器方案中，平衡零拍探测器的探测结果本身就会受到本征光强度涨落的影响，并且在后面的电放大过程中也会受到电噪声的干扰，因此科研工作者一直在探索一种量子随机源可以提供较强的量子随机信号，并且随机源本身不会受到经典噪声的干扰。
为获得更高速的QRNG，ASE噪声被广泛研究并应用于QRNG的噪声源，ASE噪声源可采用泵浦的掺铒光纤（EDFA）、超辐射发光二极管（SLD）、半导体光放大器（SOA）等，其输出光强本质上来自于原子的自发辐射，是一个量子随机过程——不同原子发生自发辐射效应的概率是完全随机的，那么光源输出ASE瞬时光功率也是随机的，是良好的物理噪声源。基于ASE光源QRNG的基本物理构架如下：
基于ASE的量子随机数发生器
ASE光源模块输出放大自发辐射光量子噪声信号；光电探测器用于实现对ASE噪声进行光电变换，将ASE光噪声信号转换为易于采集处理的模拟电噪声信号；ADC器件将光电探测器输出的模拟电信号转换为离散化初始随机序列；数据后处理使初始随机序列的随机性提取，得到最终的随机序列。
行业现状
随着量子信息技术飞速发展，QRNG也取得巨大进步，QRNG的产生速率不断提高，从离散变量发展到连续变量，探测技术也从单光子探测发展到普通的光电二极管探测，量子噪声的带宽也逐渐变宽。2021年，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合浙江大学，通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，实现了速率达18.8Gbps的实时量子随机数发生器，相关研究成果以“封面论文”的形式发表于《应用物理快报》。
工信部也正式发布了国内首个量子随机数发生器行业标准YD/T 3907.3-2021《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）》，参编单位包括国盾量子、中国信息通信研究院、中国电科、国科量子、华为、中兴、北京邮电大学、山东量科、九州量子、济南量子技术研究院等。
目前，国内主要量子通信公司的产品中都有量子随机数发生器。例如，科大国盾量子（QuantumCTek）、世融能量、神州国信量子、九州量子、中创为量子、循态量子、如般量子、启科量子、安匠科技等。
国盾量子QRNG产品
世融能量QRNG产品
国外知名的QRNG供应商有瑞士ID Quantique(IDQ)，于2018年被韩国最大移动通信运营商SKT收购。2020年三星电子韩国电信商SK Telecom推出了Galaxy A Quantum量子手机，这是全球第一款具有量子随机数发生器(QRNG)芯片组的 5G 智能手机，后更名为Galaxy A71 5G，前六个月就突破了30万的销量。
该手机采用由 SK Telecom 的瑞士子公司 ID Quantique 开发的 SKT IDQ S2Q000 QRNG 芯片组，它通过量子密码技术生成随机数并创建无法预测的安全密钥，从而增强了设备的安全性。
IDQ新一代Quantis QRNG PCIe
SKT IDQ S2Q00是世界上最小的 QRNG 芯片组（2.5mm x 2.5mm），使用 LED 和 CMOS 图像传感器，可创建具有不可预测模式的真正随机数。SKT IDQ S2Q00芯片的核心包含一个发光二极管（LED）和一个CMOS图像传感器。由于量子噪声，LED发出随机数的光子，这些光子由CMOS图像传感器的像素捕获并计数，从而提供了一系列原始随机数，可以由用户应用程序直接访问。这些数字也被馈送到随机位生成器算法（RGB），该算法进一步提取量子起源的熵，以产生符合NIST 800-90A / B / C标准的随机位。相较于现在使用的公钥和私人秘钥以及数字证书等加密方法，芯片通过量子密码技术生成随机数，安全密钥无法被黑客预测，从而增强设备终端和数据的安全性。2021年推出第二代量子加密手机Galaxy Quantum 2。IDQ新一代Quantis QRNG PCIe的最高速率是240Mbps。
其他QRNG供应商还包括英国的KETS Quantum、Quant.um Dice、Crypta Labs、剑桥量子计算公司，德国的InfiniQuant、PicoQuant，美国的Whitewood Encryption Systems、Quantum Xchange，加拿大的Quantum Numbers、evolutionQ，澳大利亚的Quintessence Lab，西班牙的Quside，日本的东芝等。在美国、欧洲、日本等国家和地区，量子保密通信网络建设相对缓慢，但是量子随机数发生器的商业化水平较高。目前，商用QRNG随机数产生速率最高为1Gbps左右。根据Inside Quantum Technology(IQT)的预测数据，到2025年，QRNG市场将突破60亿美元，到2030年将突破140亿美元。
市场应用
QRNG是量子技术的第一个大众市场，可应用于智能手机、物联网（Internet of Things）IoT、金融、数据中心、电信、政府和军队、博彩以及R&D等。其中第一代量子手机已获得成功，除上面提到的Galaxy A Quantum和Galaxy A Quantum 2外，越南手机厂商VinSmart推出的第一款5G智能手机Vsmart Aris 5G也集成了IDQ的QRNG安全芯片。
2022年，北方雷科发布首款北斗量子手机，它基于量子密钥分发技术打造，能够为正在通信的双方生成一个真随机的安全密钥，用于加密和解密彼此的通话、短信内容。对量子系统的观察，将会改变量子系统，所以即使有人能够巧合破译出量子密钥，那么通话双方也会第一时间察觉到有人在窃听，因为量子密钥内容已经被改变了。
2021年，云南省内首次尝试应用“招标投标+量子技术”的创新探索，采用九州量子自主研发的QRNG产品为该项目提供随机数源，在“昆明绕城高速公路东南段运营期10kV供电线路运营维护”项目中采用量子随机抽取技术完成评标专家抽取工作，运用量子随机抽取技术的“绝对随机”代替过去传统算法的“相对随机”，使评标专家抽取结果不可重复、不可预测，让公共资源交易环境更加阳光透明。
九州QRNG产品