量子随机数发生器利用量子随机过程的内禀随机性进行随机数制备,理论上可生成不可预测的真随机数序列。其中,基于测量真空涨落噪声的连续变量量子随机数发生器具有随机数生成速率高、系统复杂度低、易芯片化集成等优势,在系统产业化等方面优势突出,是近年来量子随机数发生器相关研究的热点。近期,基于测量真空涨落噪声的连续变量量子随机数发生器在系统实现方面不断突破,从最初的平台演示系统走向芯片级系统,并逐步向实际应用探索发展。然而,基于实际非理想器件构建的量子随机数发生器不可避免地存在安全性漏洞,对实际器件进行建模分析并规避它们的影响至关重要。特别地,随机源作为系统中最为复杂的模块,使用者难以提前对其完美建模或监控其是否受窃听者所操控。连续变量源无关量子随机数发生器协议通过信任检测设备,得以放松对随机源设备的安全性要求,从而保证在源设备不可信的条件下仍能制备安全的随机数。当前,连续变量源无关量子随机数发生器聚焦于测量真空涨落噪声方案,采用零差检测和外差检测两种测量系统。其中,基于零差检测的连续变量源无关量子随机数发生器由于其结构较为简洁的优势,近年来受到较多关注。值得注意的是,由于连续变量源无关量子随机数发生器系统的研究开始时间晚,已有实验系统聚焦于提出新的协议,很少考虑协议的实际安全性,因而难以将它们直接推广应用。实际上,系统的实际非理想性所引入的安全性问题是一个亟需分析解决的课题。同时,在保证安全性的前提下,如何提升系统的实时随机数产生速率也极为重要。本文针对实际条件下的连续变量源无关量子随机数发生器所遇到的速率提升问题,实际安全性问题以及系统结构优化问题开展研究,内容包括:1.提出了一种适用于所有量子随机数发生器的随机提取算法,通过优化Toeplitz哈希提取器的实现算法实现在有限计算资源条件下的高速随机提取,有效缓解当前量子随机数发生器在推广到实际应用时所面临的速率瓶颈问题。Toeplitz哈希提取器作为一种已证明的低复杂度且安全性可证的随机提取器,其随机提取速率受到实现复杂度、提取矩阵尺寸、计算平台性能等多方面限制。根据现场可编程门阵列平台有限计算资源、低运算频率、并行计算等特点,设计了流水线型的多模块协同运算算法。同时,在运算模块内部,根据Toeplitz矩阵的特点,通过控制矩阵各列进行异或运算,有效降低了系统实现复杂度和提升了有限计算资源和有限运算频率下的随机提取速率。通过实验,进一步验证了该优化算法支持实现高速安全的随机提取。2.分析了基于零差检测的连续变量源无关量子随机数发生器所面临的两个实际安全性漏洞,包括本振光强度波动问题和模数转换器有限采样区间问题。通过分析这两种安全性漏洞对连续变量源无关量子随机数发生器安全性的影响,提出了一种利用本振光强度波动信息实施随机数信息窃听攻击的方法。进一步地,为规避采样区间外信号所引进的安全性漏洞,修正了已有的基于熵不确定性关系所实现的随机数生成速率评估公式,将可能存在的采样饱和情况考虑到系统的安全性分析中。通过理论分析和数值仿真,定量分析验证了上述两种非理想因素对于实际连续变量源无关量子随机数发生器系统的安全性影响。3.提出了一种适用于零差检测系统的连续变量源无关量子随机数发生器的偏置抑制方案。在实际非对称系统中,测量所得信号中不可避免地会留有偏置,这将会明显抑制系统可支持的本振光强度,并降低系统的随机数产生速率;同时,系统的输出信号中将残留有共模噪声,对实际产生随机数的安全性带来隐患。针对在实际非对称检测系统中的偏置问题,提出了一种全光的偏置消除的方案。进一步地,将其应用于实现无偏置连续变量源无关量子随机数发生器系统。通过优化系统参数,该方案不仅避免了单次测量输出包含多个正交分量的问题,更为分析等强和非等强正交分量对源无关量子随机数发生器性能影响的研究提供支撑。同时,该方案提供了一种直接将基于零差检测的无偏置连续变量源无关量子随机数发生器系统进行芯片集成化的可行方案。