專利名稱：量子隨機數(shù)生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隨機數(shù)生成器。更特別地，本發(fā)明涉及基于量子光學(xué) 的隨機數(shù)生成器。
背景技術(shù)：
隨機數(shù)是通過處理生成的數(shù)，其結(jié)果不可預(yù)知并且不可復(fù)制。隨 機數(shù)在計算機科學(xué)和技術(shù)、通信、信息安全、通信系統(tǒng)的可靠性測試 以及其它應(yīng)用中非常有用。在工程中，隨機數(shù)經(jīng)常用于測試系統(tǒng)的可 靠性。通過測試隨機數(shù)的質(zhì)量確定系統(tǒng)的可靠性。同樣，在信息安全 領(lǐng)域，隨機數(shù)的質(zhì)量是整個安全性的關(guān)鍵因素。
主要存在兩種類型的隨機數(shù)生成器，其中一種是基于軟件的生成 器。從廣義的角度看，因為由算法生成的序列通常是周期性的，所以 軟件生成器生成所謂的偽隨機數(shù)。盡管這種偽隨機數(shù)已經(jīng)用于某些應(yīng) 用，但是它們?nèi)匀徊贿m合在對隨機性要求嚴格的多數(shù)應(yīng)用中使用。
另一種類型是物理(經(jīng)典物理和量子物理)隨機數(shù)生成器。經(jīng)典 物理規(guī)定的宏觀處理可用于生成隨機數(shù)。從表面上看，似乎可通過電 路中的微小起伏引起的"噪聲"生成隨機數(shù)。但是，這種電子噪聲裝置 是否生成真正的隨機數(shù)是存在爭議的。決定論隱藏在復(fù)雜性的背后。 不幸的是，這種電子噪聲裝置通常固有地比偽隨機數(shù)生成器更慢，從 而使其不適合用于需要大量隨機數(shù)的任何應(yīng)用。基于噪聲的隨機數(shù)生 成器的另 一 個缺陷在于，難以保證系統(tǒng)不受到例如環(huán)境溫度或電磁場 等環(huán)境參數(shù)的影響。電子噪聲裝置在經(jīng)過一段時間之后可變得不穩(wěn)定。
目前， 一種基于量子物理生成隨機數(shù)的方法得到重視。與經(jīng)典物理相比，量子物理在根本上是隨機的。其為現(xiàn)代物理的結(jié)構(gòu)中唯一的 結(jié)合了隨機性的理論。這一事實對于像提出了光量子理論的愛因斯坦 的物理學(xué)家是非常煩擾的。真正的隨機數(shù)可通過監(jiān)控放射性元素的放 射性衰變而生成。盡管基于量子物理的這種方法可生成質(zhì)量良好的隨 機數(shù)，但是這種生成器并不適合用于商業(yè)應(yīng)用。
附屬于日內(nèi)瓦大學(xué)的公司id Quantique已出售一種基于量子物理 的量子力學(xué)隨機數(shù)生成器。通過稱為光子的單一"輕子(light particle)" 隨機地撞擊半透射鏡保證了隨機性。由射向半透射鏡的源生成的光子 以50%的概率被反射或傳播，并且可將這種測量轉(zhuǎn)化為一串量子隨機 位。然而，將半透射鏡與探測器對準還有些困難。另一個缺陷在于， 難以與其它裝置或組件集成，并從而難以減少組件的大小和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于通過使用單光子的隨機性質(zhì)生成 真正的隨機數(shù)的全光纖光學(xué)隨機數(shù)生成器。
本發(fā)明的隨機數(shù)生成器包括具有輸入端口和兩個輸出端口的光耦 合器；連接于所述輸入端口的單光子源，用于將單光子從所述輸入端 口發(fā)射到所述輸出端口 ；連接于所述兩個輸出端口中每一個的單光子 探測器，用于探測從所述兩個輸出端口中的任一個輸出的所述光子； 以及用于根據(jù)所述單光子探測器的探測結(jié)果生成隨機數(shù)的裝置。
本發(fā)明還包括一種用于生成隨機數(shù)的方法，包括生成一 串單光子； 將所述單光子耦合到具有兩個輸出端口的光耦合器中；探測從所述輸 出端口中的任一個輸出的所述單光子；以及根據(jù)探測結(jié)果生成隨機數(shù)。
本發(fā)明的隨機數(shù)生成器由全光纖裝置和光纖耦合器實現(xiàn)，所述全 光纖裝置例如均光纖、可變的光衰減器、激光器和單光子探測器，其 具有光纖連接器，所述隨機數(shù)生成器真正的簡單、便宜、可靠并高效。 此外，僅通過使用光纖連接器就可方便地連接以上全部光學(xué)裝置，而 無需使用透鏡或鏡子以及用于光學(xué)對準的復(fù)雜過程。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的量子隨機數(shù)生成器的原理；以及
圖2示意性地示出了本發(fā)明的隨機數(shù)生成器的實施方式。
具體實施例方式
量子系統(tǒng)具有隨機性質(zhì)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。 這種隨機的性質(zhì)是固有的，并可用于設(shè)計真正的隨機數(shù)生成器。 如圖l所示，根據(jù)本發(fā)明實施方式的隨機數(shù)生成器包括單光子源
100、具有輸入端口 201和兩個輸出端口 202和203的光耦合器200、 以及單光子探測計數(shù)器300。
單光子源100用于生成一串單光子。將單光子一個接一個傳輸?shù)?光耦合器200的輸入端口 201。光耦合器200是傳統(tǒng)的光纖耦合器， 具有50:50的分流比。將來自單光子源100的單光子從耦合器200的 輸入端口 201傳輸?shù)今詈掀?00的任一輸出端口。單光子探測計數(shù)器 300連接于耦合器200的輸出端口 ，以探測從耦合器200的任一輸出 端口輸出的光子。如圖l所示，可將從輸出端口 202輸出的單光子表 示為"O",將從輸出端口 203輸出的單光子表示為'T，，反之亦然。這 樣，可通過使用單光子的隨機性能獲得真正的隨機數(shù)。
如上所述，兩個輸出端口 202和203中的每一個都具有相同的單 光子輸出概率。本發(fā)明的光耦合器允許進入光耦合器的單光子具有相 同的概率(50:50 )從端口 202或端口 203輸出。
對于端口 202,狀態(tài)可表示為
<formula>complex formula see original document page 6</formula> (1) 其中，|0〉表示沒有光子從端口 202輸出，|1〉表示一個光子從端口 202輸出。
端口 202處的探測結(jié)果是離散的，因此，如果將單光子串連續(xù)發(fā) 射到輸入端口 201，則光耦合器可生成離散的隨機數(shù)串。在端口 203 測量到的結(jié)果與在端口 202測量到的結(jié)果是互補的。對于以上所述的 生成器，端口 202和203的總狀態(tài)可由式(2)表示
<formula>complex formula see original document page 6</formula>(2)
式(2)表示糾纏狀態(tài)(entangled state )。
根據(jù)以上所述的原理，具有隨機性質(zhì)的量子系統(tǒng)可由具有 一個輸 入端口和兩個相同的輸出端口的單個耦合器容易地實現(xiàn)，所述輸出端 口具有光纖抽頭和連接器。下面參照圖2進一步介紹本發(fā)明的隨機數(shù) 生成器。
圖2示出了本發(fā)明的隨機數(shù)生成器的另一個實施方式。
如圖2所示，本發(fā)明的隨機數(shù)生成器包括具有激光器IO和可變的 光衰減器(VOA) 20的單光子源，具有輸入端口 31和兩個輸出端口 32和33的50:50的光纖耦合器30，通過端口 32連接于光耦合器30 的第一單光子探測器(SPD) 40,通過端口 33連接于光耦合器30的 第二單光子探測器(SPD) 60,以及用于根據(jù)單光子探測器40和60 的探測結(jié)果生成隨機數(shù)的裝置50。
作為一種選擇，每個脈沖發(fā)射正好一個光子的單光子源在將來可 用于可見和近紅外波長。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換也可用于生成單光子源。
在本發(fā)明的某些實施方式中，耦合器30可由波導(dǎo)管或光纖耦合器 實現(xiàn)。
在本發(fā)明的其它實施方式中，SPD 40或SPD 60可由半導(dǎo)體探測 器、電荷耦合裝置傳感器或光電倍增管探測器實現(xiàn)。
在本發(fā)明中，激光器IO發(fā)出光束。在VOA 20，激光器10發(fā)出 的光束在測定間隔內(nèi)衰減為單光子。將單光子傳輸?shù)?0:50耦合器30 的輸入端口 31。然后，單光子以相同的積克率,人端口 32或端口 33離開 耦合器。因此，由SPD40或60在端口 32或端口 33^果測到單光子的 概率分別為50%，探測不到光子的概率也為50%。因此，在端口 32 探測到的結(jié)果固有地并因此真正地是隨機的。如上所述，端口 33的測 量結(jié)果的各個位均與端口 32的結(jié)果互補，因此也真正是隨機的。
根據(jù)本發(fā)明，通過生成單光子，然后將其傳播到光纖、光纖耦合 器以及具有光纖連接器的其它組件中，實現(xiàn)簡單、便宜、可靠并高效 的隨機數(shù)生成器。此外，由于光纖裝置的使用，因此僅通過使用光纖 連接器就可方便地連接于單光子探測器，而無需使用透鏡或鏡子或光 學(xué)對準的復(fù)雜過程。
在本發(fā)明的具體實施方式
中，將單光子探測器40和60冷卻到 -51。C,并使其工作在選通模式。激光器使用的波長在1550 nm左右。 SPD的探測效率大于10 % 。將連續(xù)波傳統(tǒng)激光器光束衰減為單光子串， 以獲得統(tǒng)計意義上的單光子。測定間隔(優(yōu)選地，為0.2nm)內(nèi)的計 數(shù)小于O.l,以保證可獲得統(tǒng)計意義上的單光子。
由(美國)國家標準技術(shù)研究所發(fā)表的NIST測試可用于檢測由本 發(fā)明的生成器獲得的數(shù)據(jù)的隨機性質(zhì)。用于隨機數(shù)生成器的NIST統(tǒng) 計測試組提供了 一組16個統(tǒng)計測試。這些測試對將表明隨機數(shù)生成器 輸出的序列是非隨機的模式(如果檢測到的話)的存在進行估計。隨 機序列的性質(zhì)可根據(jù)概率描述。在每個測試中，提取稱為P-值的概率。 該值概括出理想隨機性假設(shè)的可信程度。P-值為零表示序列好像是完 全非隨機的。大于0.01的P-值表示可有99%的可信度認為序列是隨 機的。這里僅用一種方法4全查實驗數(shù)據(jù)。
在如上所述的測試方法中，將序列的長度選為3724 (大于100)。 例如，序列為
01010100100101001010
10010101000100010010
10101010101101000101
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1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 10 10 10 10 0 0 10 10 10 10 1 0 10 10 10 10 0 10 110 0 10 10 10 10 10 110 1 0 10 0 10 10 11 10 110 110 0 1 0 10 110 10 10 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 110 10 10 10 1 0 10 1110 10 1
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10101010010000100101<sequence>complex sequence see original document page 14</sequence>
才艮據(jù)以上所述的標準，當(dāng)P的值大于0.01時，即P.value^0.01時，
序列是隨機的。因此，顯然能得到這樣的結(jié)論，即，本發(fā)明的生成器 生成了隨機數(shù)序列。
另 一 方面，本發(fā)明測量探測器中的暗電流生成的噪聲序列的隨機
性，例如，噪聲序列為
00110000000100000100
10100001000011101000
01100011001100100000
00000000000110011010
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其中相應(yīng)的P，va,ue為4.08Xl0-154。根據(jù)上述標準，其為非隨機的。
#4居以上所述的標準，當(dāng)P的值大于0.01時，即P—value^).01時，
序列是隨機的。因此，顯然能得到這樣的結(jié)論，即，根據(jù)本發(fā)明的生
成器生成了隨機數(shù)序列。
盡管結(jié)合以上實施方式和示例對本發(fā)明進行了說明，但是，本領(lǐng)
域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可使用本發(fā)明的各種修改、可選的變體和等同
物，而不偏離本發(fā)明的精神。因此，以上說明不應(yīng)視為本發(fā)明范圍的
限制，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種隨機數(shù)生成器，包括光耦合器，具有輸入端口和兩個輸出端口；單光子源，連接于所述輸入端口，并用于生成單光子串，其中每個單光子從所述輸入端口傳輸?shù)剿鰞蓚€輸出端口中的任意一個；兩個單光子探測器，分別連接于所述兩個輸出端口，用于探測從所述兩個輸出端口中的任意一個輸出的所述單光子；以及用于根據(jù)所述單光子探測器的探測結(jié)果生成隨機數(shù)的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)生成器，其中所述單光子源包括 激光器，用于發(fā)射光束；以及可變的光衰減器，將所述激光器發(fā)射的光衰減為所述單光子串。
3. 如權(quán)利要求2所述的隨機數(shù)生成器，其中所述激光器是任意的 激光器。
4. 如權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)生成器，其中所述光耦合器是波導(dǎo) 管或光纖耦合器。
5. 如權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)生成器，其中所述光耦合器具有 50:50的分流比。
6. 如權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)生成器，其中所述單光子探測器是 半導(dǎo)體探測器、電荷耦合裝置傳感器或光電倍增管探測器。
7. 如權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)生成器，其中所述激光器、所述可 變的光衰減器、所述光耦合器以及所述單光子探測器由光纖通過光纖 連接器相連接。
8. —種隨機數(shù)生成器，包括 光耦合器，具有輸入端口和兩個輸出端口；單光子源，連接于所述輸入端口，用于生成單光子串，其中每個單 光子從所述輸入端口傳輸?shù)剿鰞蓚€輸出端口中的任意一個；光子探測器，連接于所述兩個輸出端口，用于探測從所述兩個輸 出端口中的任意一個輸出的所述單光子，并根據(jù)對所述單光子的探測 生成隨機數(shù)。
9. 一種用于生成隨機數(shù)的方法，包括 生成單光子串；將每個單光子傳輸?shù)骄哂袃蓚€輸出端口的光耦合器中； ^t笨測從所述兩個輸出端口任意之一輸出的所述單光子；以及 根據(jù)探測結(jié)果生成隨機數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中生成單光子串的所述步驟進 一步包括生成光束；以及將所述光束衰減為所述單光子串。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中將從所述兩個輸出端口中的 一個輸出的單光子表示'T，，將從所述兩個輸出端口中的另一個輸出的 單光子表示"0"。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述光耦合器具有50:50的 分流比。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述光耦合器是波導(dǎo)管或光 纖耦合器。
全文摘要
公開了一種全光纖光學(xué)量子隨機數(shù)生成器，包括具有輸入端口和兩個輸出端口的光耦合器；連接于所述輸入端口的單光子源，用于將單光子從所述輸入端口發(fā)射到所述輸出端口；連接于所述兩個輸出端口中每一個的單光子探測器，用于探測從所述兩個輸出端口中的任一個輸出的所述光子；以及用于根據(jù)所述單光子探測器的探測結(jié)果生成隨機數(shù)的裝置。本發(fā)明的生成器可生成真正的隨機數(shù)。
文檔編號G06F7/58GK101198926SQ200680021363
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者羅玉輝, 陳錦泰 申請人:香港中文大學(xué)