随机数是满足一定的统计性质且不存在周期性或明显规律的非确定性序列。它的应用无处不在,比如在生活娱乐、博彩、科研模拟、国防军事、密码学等领域都需要使用随机数。基于不同的产生原理,随机数的产生方式也不尽相同。目前广泛使用的方式可分为基于计算机算法产生的和基于物理过程产生的。通常来说,前者的随机数产生速率较高,能够满足社会生活中大多数应用的需求。然而,它的输出序列的随机性完全依赖于输入的“种子”,具有一定的周期性和可重复性。后者的随机数产生装置被称为物理随机数发生器,它源于对物理过程的测量,从测量结果中提取随机数。随着社会和科技的进步,信息安全性变得尤为重要,相应地对随机数的要求也越来越高。因此,研究随机数的产生原理和方法以满足各类应用的需求,是一项意义重大的研究课题。基于量子物理过程中的不确定性产生的随机数被称为量子随机数,相应的产生装置叫作量子随机数发生器,它是物理随机数发生器中非常重要的一类,也是真随机数的主流来源。量子随机数发生器的基本结构,主要包括具有量子随机性的量子熵源、探测器件和采样器件。通过对器件性能以及提取方法的优化,以提升量子随机数发生器各方面的性能,这对促进量子随机数发生器的实用化发展尤为重要。早期,非光学类量子熵源的提取方案被广泛研究,然而,它在一些方面存在不足,例如,实验系统具有一定复杂性,随机数产生速率往往受限。为了解决这些问题,光学类量子熵源的随机数产生方案获得了快速发展,促进了量子随机数发生器的实用化进程。然而,由于理论体系和技术上的限制,很多方案在实现量子随机数发生器的小型化、实时化、低成本以及较高的产生速率等方面还具有一定的困难,离广泛实用化还有一段距离。因此,继续深入研究各类量子随机数产生方案具有重大意义和重要价值。本论文针对量子随机数发生器的小型化和并行化实验系统的实现开展研究,主要内容包括以下三个方面:1.小型化、低成本的量子随机数发生器实验系统的实现针对目前各类应用对小型化、低成本真随机数发生器的需求,我们提出了一种利用发光二极管（Light Emitting Diode,LED）作为量子熵源进行随机性提取的实验系统。为了实现结构的小型化与系统成本的低廉化,提出利用线性光耦器件实现LED量子随机性的提取。线性光耦包含LED光源以及相应的探测器,将两者共同封装,拥有结构小型化与价格低廉化的特性,并且输出信号与输入信号成线性关系。因此,我们基于线性光耦器件实现了小型化、低成本的量子随机数发生器实验系统的构建,在一定程度上为量子随机数发生器系统的小型化和低成本的实现提供了新思路。2.基于多通道并行化的量子随机数提取的实验方案在保证量子随机数发生器小型化与低成本的前提下,为进一步提升量子随机数的产生速率以及实现随机数产生过程的稳定性,我们设计并实现了多通道量子随机数产生的实验系统。该实验系统利用四通道的线性光耦,实现了各通道同时产生随机数的目的,在一定程度上提升了量子随机数的产生速率。并且,该方案在一定程度上具有抵抗单通道设备损坏的能力,因此具有一定的稳定性。在实验系统中,我们也考虑并分析了通道之间的相互耦合对原始随机数序列产生的影响,通过后处理操作获得了统计性质良好的随机数序列。3.利用量子熵源在多维度上的随机性同时提取产生随机数量子熵源在多个维度上往往都具有量子随机性。为了提升量子熵源随机性的利用效率,我们在多通道并行化结构基础上,提出了一种基于量子熵源在两个维度上的随机性同时提取的实验方案。该实验方案利用自发拉曼（Raman）散射效应来实现。通过探测来自于四个通道的散射光子,提取散射光子在到达波长和到达时间上两个维度的随机性,通过共同编码来产生最终的量子随机数序列。同时,该实验方案实现了多通道并行化的量子随机数产生,并且理论模型对于更多通道的情况具有普适性,为量子熵源在多维度上随机性的提取提供了一种新方案。本论文的主要创新点包括:1.利用线性光耦实现了基于LED量子熵源的小型化与低成本的量子随机数发生器实验系统。LED具有量子随机性,我们借助线性光耦实现了量子随机数发生器系统的结构小型化和成本低廉化的特性,为量子随机数发生器的实用化发展提供了新思路。2.实现了并行化的量子随机数的提取方案。该装置利用多通道的线性光耦器件来实现,它不仅具备单通道线性光耦小型化与成本低廉的特性,同时具有多通道并行的特点,使得并行化量子随机数发生器装置具有抵抗部分器件损坏的能力。3.在多通道并行化的结构基础上,利用Raman散射光子到达时间和波长上的双重随机性,实现了两个维度上量子随机性的同时提取工作。该实验系统具有并行化的结构,并且提升了实验系统中量子熵源的利用效率。