量子随机数最显著的优点是其随机数序列的信息理论具有可证实性,量子世界的内禀随机性使其成为随机数生成最具吸引力的方法。采用真空态量子正交分量起伏获取量子随机数的方法在实际应用中具有发展前景。真空态是纯净的量子态,而且拥有最低的能量,真空态不受外部物理量的直接影响以及不被攻击者限制或关联,所以可以得到唯一的真随机数。真空态的量子噪声属于较为理想的高斯白噪声,在原理上不同频率间彼此独立且带宽无限,互不相关,被检测的量子正交分量起伏都是连续变量,在检测时可以获得大量的随机序列。在生成量子真随机数的实验中不可避免地会受到电子噪声影响,由于电子噪声等非理想因素存在,需要进行后处理。在大多数量子随机数发生器中,通过检验是唯一用于证明随机性的方法,如果出现测试不通过（归因于硬件问题）,将对数据进行算法后处理,直到测试通过。一般情况下,提取熵所需的后处理是离线进行的,因此提高后处理速率的一个关键方向是随机数实时后处理。量子随机数的实时产率需达到数Gbps量级以上,在模数转换器采样原始随机序列时,基于现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA）实现高效托普利茨（Toeplitz）哈希提取,是一种切实可行的方案。后处理会受到FPGA硬件资源的限制,导致没有充分利用FPGA的资源,这就势必对FPGA硬件处理资源及性能提出较高要求。于是基于有限资源的FPGA,如何实现对大量原始随机序列的高速实时安全后处理、并高效利用FPGA硬件资源已成为量子随机数实用化过程中尚待解决的问题。在本方案中,根据FPGA并行计算的特性,通过对FPGA逻辑资源进行监测采用多路实时后处理同时产生多个独立的随机比特流,可以大大提高量子随机数的生成速率。我们基于测量真空噪声起伏产生量子真随机数方案,主要完成的工作有:第一,在实验中,采用射频放大器调节输入到模数转换器的电压信号,使采样率为240 MSa/s,采样精度为16位的模数转换器达到最优动态采样范围的条件;记录每个本振光功率值对应的原始数据的电压方差,将本振光功率固定在最佳性能,从而保持散粒噪声比电子学噪声频谱抬升10d B以上;从量子熵源中多路实时提取了四个独立的高频边带量子态,并分别分析计算了每个边带的量子条件最小熵。第二,根据FPGA内部结构及计算特点,利用了FPGA并行算法优势,提出了四路后处理结构处理量子熵源的四个频带模式以提高后处理的性能;理论计算分析了Toeplitz矩阵四路后处理拆分前后所需的乘法和加法的总运算次数,在FPGA内将大规模Toeplitz矩阵进行拆分,对于384×512Toeplitz矩阵约157万次运算次数经拆分后降为4.9万次,实现了大规模Toeplitz矩阵分解及多周期分布处理从而保证了硬件的稳定运行。第三,基于测量真空噪声起伏产生量子真随机数方案,构建了实时硬件后处理平台,通过在FPGA上进行了不同矩阵规模和不同通道数后处理的计算资源消耗监测以及分析开发板的逻辑资源占用,实现了有限的计算资源条件下对四个通道的量子随机数的实时高效后处理。基于单个FPGA,通过占用FPGA约62%的硬件资源实现了实时输出速率高达10.44Gbps的量子随机数。该项工作中量子随机数发生器输出的超快随机比特流经PCIE接口传输到上位机用户端,每两个通道的量子随机数相关系数和互信息分别保持在10-3、10-6量级,且通过了NIST测试和其它多种随机性检测,满足真随机数的基本特征要求,为高速保密通讯的实际应用提供了技术支持和保障。