经典和量子理论中,物理的随机性是信息技术及密码学应用中的要素之一,因为安全的加密及通信体制是建立在真随机性的基础之上,高速真随机数发生器为密码学系统和安全保密通信提供必要前提。量子随机数最大的特点是其内禀的信息论可证的随机性,其物理真随机性基于量子物理的内禀不确定性,单次测量结果是完全随机、不可预测的,且遵循量子力学的基本原理。在过去的二十年中,各类的量子随机数发生器应运而生,相关研究迅速发展。然而,由于量子随机数的产生方法源于对光场微观量子特性的测量,受物理熵源和探测带宽的限制,产生速率低于现行光纤通信的传输速率,与光纤通信速率难以兼容,成为实际量子密钥分发及通信应用中的一大障碍。故如何有效提高量子随机数的产生速率就成为亟待解决的问题之一。在已有的量子随机数产生方案中,基于真空态的量子涨落产生设备无关的量子随机数方法显现出独特的优势。真空态是纯净的具有最低能量且独立于外部物理量的量子态。它不被攻击者关联或控制,因此可以通过测量真空正交振幅分量来产生唯一的真随机数。同时真空态量子噪声是一种理想的白噪声,原理上具有无限带宽,且不同频谱之间无关联;此外被测量的真空正交振幅分量为连续变量,被测量更新无限快,单次测量就可提取大量的随机比特。因此,利用真空态量子噪声可以获得具有单值性、不可复制、不可关联操控的真随机数,并且基于真空态正交分量起伏噪声提取量子随机数的方法仍具有较大的提速空间,在量子通讯中有着良好的应用前景和发展潜力。此外,由于其较精简的实验装置,且平衡零拍探测器可以在室温条件下高量子效率的工作,探测带宽提高,限制条件降低,可操作性强,这使得其更易于集成,从而可应用于实际芯片化生产。随机序列的熵含量是衡量其随机性,即不可预测性的量化标准,同时也是从原始信号提取随机特性的重要参数。但目前评测随机数的方法都是针对“0”、“1”的二进制数字信号进行的数字域内的随机数测试,而通过计算机算法产生的伪随机数同样可以通过上述测试,尚缺少针对物理随机性生成过程量化与评测,故如何通过对原始物理信号评判量化随机数是否来自物理熵源,就显得尤为重要。此外,宏观上的高维混沌激光由于宽频谱、高强度起伏和长期不可预测的特性,以及宏观水平光学探测系统的高度成熟而用于高速的物理随机数产生,但如何实时量化和提取宏观高维混沌激光的随机性也是亟待解决的问题之一。因此,对物理熵源的实时量化与安全监控在随机数产生与保密通信应用中就显得尤为重要。针对上述问题,本文主要工作如下:1)搭建真空态量子涨落平衡零拍探测系统,理论和实验上分析连续变量量子噪声的测量结果、评估量子随机性的最小条件熵,以及有效提高及提取量子噪声熵含量。从增强量子熵的角度出发,理论和实验分析零差增益在最佳动态模数转换范围条件下量子熵的增长过程,从而显著提高量子随机比特速率;2)理论和实验上对物理熵源的原始微观量子散粒噪声,宏观高维混沌模拟信号进行量化评估,提出一种熵率度量随机性方法,直接探测度量了物理熵源的熵增长速率;另外,由于在利用混沌激光产生随机数的过程中,存在外腔时间延迟特征,并需要对其进行有效抑制以利于混沌随机数产生及保密通信的应用需求。实验及理论证明频带提取可有效抑制混沌激光的时延特征,抑制比相较原始混沌达到95%,时延特征值降低到0.015。实验研究了不同衰减强度、偏置电流条件下对频带提取后的混沌激光熵率及时延特征的变化关系。该熵率度量方法,为实时量化物理熵源随机性提供了一种可行方案。