基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括：光路模塊和電路模塊；其中，所述光路模塊的輸出端連接所述電路模塊的輸入端。所述光路模塊包括激光器、分束器、平衡零差檢測器、真空態(tài)發(fā)生器以及光放大器；其中，所述真空態(tài)發(fā)生器的輸出端連接所述光放大器的輸入端；所述光放大器的輸出端與所述分束器的一個(gè)輸入端相連；所述激光器的輸出端連接所述分束器的另一個(gè)輸入端；所述分束器的輸出端連接所述平衡零差檢測器的輸入端。本發(fā)明還提供相應(yīng)的方法。本發(fā)明通過測量放大后的真空態(tài)產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)并且采用偽噪聲碼和原始比特異或方式進(jìn)行去偏差處理，從而產(chǎn)生更高速率，隨機(jī)性更好的真隨機(jī)數(shù)。
【專利說明】基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，具體地，涉及一種基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的發(fā)展，信息的安全性日趨重要，作為保障信息安全的密碼技術(shù)更是越發(fā)重要。其中，隨機(jī)數(shù)理論又是密碼學(xué)中的一個(gè)最重要的組成部分，如今，隨機(jī)數(shù)不僅在密碼領(lǐng)域，在其他科學(xué)研究領(lǐng)域也有著非常重要的作用，比如安全通信、蒙特卡羅仿真和認(rèn)證。隨機(jī)數(shù)的一個(gè)應(yīng)用案例就是量子密鑰分發(fā)，其中，隨機(jī)數(shù)是非常重要的安全基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)在大量使用的都是偽隨機(jī)數(shù)。盡管這些偽隨機(jī)數(shù)在實(shí)際工作中非常重要，但他們固有的偽隨機(jī)性，還是會給一些需要真隨機(jī)的應(yīng)用場合帶來隱患。
[0003]近年來，基于量子機(jī)制的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方式引起廣泛關(guān)注，因?yàn)槠潆S機(jī)性是由量子物理的基本理論和特性來保證的，因而是安全的。目前量子隨機(jī)數(shù)吸引了世界上許多研究機(jī)構(gòu)對其產(chǎn)生理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。傳統(tǒng)的方法是通過測量一個(gè)單光子經(jīng)過光分束器的概率來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，通過不同的探測器對單光子的捕獲來產(chǎn)生0，I序列，量子力學(xué)的原理可以保證這樣的0，I序列是完全隨機(jī)的，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率比較低，受器件限制比較多。另一種方法是通過測量微弱光脈沖中光子數(shù)來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，還有一些方法是通過測量半導(dǎo)體激光器的相位噪聲來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。因?yàn)閺拇怪鼻槐砻婕す馄靼l(fā)射出來的單模激光的相位噪聲是一個(gè)高斯隨機(jī)變量，這種相位的噪聲的真隨機(jī)性來自于光子的自發(fā)輻射的隨機(jī)性本質(zhì)，這種方法的優(yōu)勢是可以產(chǎn)生高速的隨機(jī)數(shù)。近年來，測量真空態(tài)的漲落噪聲成為一種新的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法，漲落噪聲是一種量子噪聲并被證明是真隨機(jī)的，通過測量真空態(tài)的X位置分量，可以從測量結(jié)果中抽取隨機(jī)比特。
[0004]目前，測量真空態(tài)漲落噪聲得到的隨機(jī)數(shù)比特速率比較低，且包括直流偏差，這些因素包括但不限于:
[0005]1.真空態(tài)量子漲落噪聲包含的隨機(jī)性有限；
[0006]2.得到的測量結(jié)果包括直流偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了得到速率更高的量子隨機(jī)數(shù)，并有效去除隨機(jī)數(shù)中的直流偏差，我們設(shè)計(jì)了一種基于測量放大后的真空態(tài)產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)的方法，通過放大真空態(tài)可以產(chǎn)生更多的隨機(jī)數(shù)，并且采用偽噪聲碼和原始比特異或方式進(jìn)行去偏差處理，從而產(chǎn)生更高速率，隨機(jī)性更好的真隨機(jī)數(shù)。
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器裝置。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括:光路豐吳塊和電路|吳塊；
[0010]其中，所述光路模塊的輸出端連接所述電路模塊的輸入端；光路模塊，用于產(chǎn)生本振光和真空態(tài)，將產(chǎn)生的真空態(tài)放大作為信號光，并使得信號光和本振光進(jìn)行干涉，生成干涉數(shù)據(jù)；電路模塊，用于測量干涉數(shù)據(jù)，并對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，編碼，并產(chǎn)生最終的隨機(jī)數(shù)。
[0011]優(yōu)選地，所述光路模塊包括激光器、分束器、平衡零差檢測器、真空態(tài)發(fā)生器以及光放大器；
[0012]其中，所述真空態(tài)發(fā)生器的輸出端連接所述光放大器的輸入端；所述光放大器的輸出端與所述分束器的一個(gè)輸入端相連；所述激光器的輸出端連接所述分束器的另一個(gè)輸入端；所述分束器的輸出端連接所述平衡零差檢測器的輸入端；激光器用于產(chǎn)生本振光；真空態(tài)發(fā)生器用于產(chǎn)生真空態(tài)；光放大器用于對真空態(tài)進(jìn)行光學(xué)放大；分束器用于將信號光、本振光分成強(qiáng)度相等的兩束；平衡零差檢測器用于檢測相干光的光電流強(qiáng)度并生成差分電流。
[0013]優(yōu)選地，所述電路模塊包括弱信號放大器、高速A/D采集模塊以及FPGA后處理模塊；所述弱信號放大器、所述高速A/D采集模塊以及所述FPGA后處理模塊順次相連；所述弱信號放大器與所述平衡零差檢測器的輸出端相連；所述弱信號放大器用于將差分電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大；所述高速A/D采集模塊用于采集電壓信號并對電壓信號進(jìn)行量化生成分析數(shù)據(jù)；所述FPGA后處理模塊用于將分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和去偏差，以生成隨機(jī)數(shù)。
[0014]優(yōu)選地，所述分束器為隨機(jī)偏振方向?yàn)?0:50的分束器。
[0015]優(yōu)選地，所述弱信號放大器包括順次相連的電阻網(wǎng)絡(luò)和電壓放大器；所述電阻網(wǎng)絡(luò)與所述平衡零差檢測器的輸出端相連。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0017]步驟1:將信號光和本振光輸入分束器進(jìn)行分束；
[0018]步驟2:將被分束器分束后的本振光和信號光進(jìn)行平衡零差檢測，并將分束后的本振光和信號光轉(zhuǎn)化為差分電流；
[0019]步驟3:將所述差分電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大處理；
[0020]步驟4:對放大處理后的電壓信號進(jìn)行采集量化生成分析數(shù)據(jù)；
[0021]步驟5:將分析數(shù)據(jù)通過隨機(jī)數(shù)生成方法處理生成隨機(jī)數(shù)。
[0022]優(yōu)選地，所述信號光為放大后的真空態(tài)；所述本振光為脈沖激光。
[0023]優(yōu)選地，步驟5還包括如下步驟:
[0024]步驟5.1:對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，把放大后真空態(tài)的概率空間分為若干相等部分，每部分分配固定碼字，分析數(shù)據(jù)每落到一個(gè)區(qū)間，就取一個(gè)對應(yīng)碼字；
[0025]步驟5.2:對步驟5.1中得到的數(shù)據(jù)采用偽噪聲碼和原始比特異或方法進(jìn)行去偏差處理；
[0026]步驟5.3:對步驟5.2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行SH512哈希處理，最終得到隨機(jī)數(shù)。
[0027]優(yōu)選地，在步驟5.2中的采用的所述異或方法為，其中N(n)為偽噪聲碼序列，S (n)為包含直流偏差的原始比特序列，D(n)為生成序列，表示異或運(yùn)算。[0028]優(yōu)選地，所述分束器為隨機(jī)偏振方向?yàn)?0:50的分束器。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0030]本發(fā)明通過測量放大后的真空態(tài)產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)并且采用偽噪聲碼和原始比特異或方式進(jìn)行去偏差處理，從而產(chǎn)生更高速率，隨機(jī)性更好的隨機(jī)數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0032]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明提供的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括放大真空態(tài)漲落噪聲測量和數(shù)據(jù)處理兩部分，主要由光路模塊和電路模塊組成。所述光路模塊的輸出端連接所述電路模塊的輸入端。其中，光路模塊主要由激光器，分束器、平衡零差檢測器、真空態(tài)發(fā)生器以及光放大器組成；其中，所述真空態(tài)發(fā)生器的輸出端連接所述光放大器的輸入端；所述光放大器的輸出端與所述分束器的一個(gè)輸入端相連；所述激光器的輸出端連接所述分束器的另一個(gè)輸入端；所述分束器的輸出端連接所述平衡零差檢測器的輸入端。激光器用于產(chǎn)生本振光；真空態(tài)發(fā)生器用于產(chǎn)生真空態(tài)；光放大器用于對真空態(tài)進(jìn)行光學(xué)放大；分束器用于將信號光、本振光分成強(qiáng)度相等的兩束；平衡零差檢測器用于檢測相干光的光電流強(qiáng)度并生成差分電流。
[0036]所述電路部分主要由弱信號放大器、高速A/D采集模塊和FPGA后處理模塊組成；所述弱信號放大器、所述高速A/D采集模塊以及所述FPGA后處理模塊順次相連；所述弱信號放大器與所述平衡零差檢測器的輸出端相連。光路模塊，用于產(chǎn)生本振光和真空態(tài)，將產(chǎn)生的真空態(tài)放大作為信號光，并使得信號光和本振光進(jìn)行干涉，生成干涉數(shù)據(jù)；電路模塊，用于測量干涉數(shù)據(jù)，并對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，編碼，并產(chǎn)生最終的隨機(jī)數(shù)。所述弱信號放大器用于將差分電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大；所述高速A/D采集模塊用于采集電壓信號并對電壓信號進(jìn)行量化生成分析數(shù)據(jù)；所述FPGA后處理模塊用于將分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和去偏差，以生成隨機(jī)數(shù)。
[0037]當(dāng)使用本發(fā)明提供的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器時(shí)，將激光器產(chǎn)生脈沖激光作為本振光進(jìn)入50:50的分束器的一個(gè)輸入端,將真空態(tài)經(jīng)過放大倍數(shù)為G的光放大器作為信號光進(jìn)入50:50的分束器的另一個(gè)輸入端。分束后的本振光和信號光經(jīng)過平衡零差檢測器產(chǎn)生差分電流，并將此差分電流送到弱信號放大器進(jìn)行處理。在弱信號放大器中，差分電流信號經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并由電壓放大部進(jìn)行放大，放大后的電壓信號送到高速A/D采集模塊進(jìn)行量化采集，并將量化后的數(shù)據(jù)送到FPGA后處理模塊進(jìn)行處理，并最終產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。
[0038]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，具體步驟如下:
[0039]步驟1:將信號光和本振光輸入分束器進(jìn)行分束；
[0040]步驟2:將被分束器分束后的本振光和信號光進(jìn)行平衡零差檢測，并將本振光和信號光轉(zhuǎn)化為電流信號；
[0041]步驟3:將所述電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大處理；
[0042]步驟4:對放大處理后的電壓信號進(jìn)行采集量化生成分析數(shù)據(jù)；
[0043]步驟5:將分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成隨機(jī)數(shù)。
[0044]步驟5還包括如下步驟:
[0045]步驟5.1:對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，把放大后真空態(tài)的概率空間分為若干相等部分，每部分分配固定碼字，分析數(shù)據(jù)每落到一個(gè)區(qū)間，就取一個(gè)對應(yīng)碼字；
[0046]以n=3為例，碼字分配從左到右依次為000，100，010，001，011，101，110，111，這8個(gè)碼字，將放大后真空態(tài)概率空間分為相等的8份，測量每落到一個(gè)區(qū)間，就取一個(gè)對應(yīng)碼字。
[0047]步驟5.2:對步驟5.1中得到的數(shù)據(jù)采用偽噪聲碼和原始比特異或方法進(jìn)行去偏差處理；
[0048]步驟5.3:對步驟5.2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行SH512哈希處理，最終得到隨機(jī)數(shù)。
[0049](2)數(shù)據(jù)后處理階段:通過隨機(jī)數(shù)生成方法來生成高速隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)生成方法步驟如下:
[0050]在步驟5.2中的采用的方法為D(") = ~(")?5(")，其中N(n)為偽噪聲碼序列，S(n)為包含直流偏差的原始比特序列，D(n)為生成序列。
[0051]通過以上過程，可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，處理，并最終得到真隨機(jī)數(shù)。由于對放大真空態(tài)進(jìn)行測量，可以得到更高的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率，通過使用去偏差處理和哈希處理，可以使得隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性更好，能通過相關(guān)隨機(jī)數(shù)認(rèn)證測試。
[0052]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，包括:光路模塊和電路模塊； 其中，所述光路模塊的輸出端連接所述電路模塊的輸入端；光路模塊，用于產(chǎn)生本振光和真空態(tài)，將產(chǎn)生的真空態(tài)放大作為信號光，并使得信號光和本振光進(jìn)行干涉，生成干涉數(shù)據(jù)；電路模塊，用于測量干涉數(shù)據(jù)，并對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，編碼，并產(chǎn)生最終的隨機(jī)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述光路模塊包括激光器、分束器、平衡零差檢測器、真空態(tài)發(fā)生器以及光放大器； 其中，所述真空態(tài)發(fā)生器的輸出端連接所述光放大器的輸入端；所述光放大器的輸出端與所述分束器的一個(gè)輸入端相連；所述激光器的輸出端連接所述分束器的另一個(gè)輸入端；所述分束器的輸出端連接所述平衡零差檢測器的輸入端；激光器用于產(chǎn)生本振光；真空態(tài)發(fā)生器用于產(chǎn)生真空態(tài)；光放大器用于對真空態(tài)進(jìn)行光學(xué)放大；分束器用于將信號光、本振光分成強(qiáng)度相等的兩束；平衡零差檢測器用于檢測相干光的光電流強(qiáng)度并生成差分電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述電路模塊包括弱信號放大器、高速A/D采集模塊以及FPGA后處理模塊；所述弱信號放大器、所述高速A/D采集模塊以及所述FPGA后處理模塊順次相連；所述弱信號放大器與所述平衡零差檢測器的輸出端相連；所述弱信號放大器用于將差分電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大；所述高速A/D采集模塊用于采集電壓信號并對電壓信號進(jìn)行量化生成分析數(shù)據(jù)；所述FPGA后處理模塊用于將分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和去偏差，以生成隨機(jī)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2 所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述分束器為隨機(jī)偏振方向?yàn)?0:50的分束器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，所述弱信號放大器包括順次相連的電阻網(wǎng)絡(luò)和電壓放大器；所述電阻網(wǎng)絡(luò)與所述平衡零差檢測器的輸出端相連。
6.一種基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:將信號光和本振光輸入分束器進(jìn)行分束； 步驟2:將被分束器分束后的本振光和信號光進(jìn)行平衡零差檢測，并將分束后的本振光和信號光轉(zhuǎn)化為差分電流； 步驟3:將所述差分電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大處理； 步驟4:對放大處理后的電壓信號進(jìn)行采集量化生成分析數(shù)據(jù)； 步驟5:將分析數(shù)據(jù)通過隨機(jī)數(shù)生成方法處理生成隨機(jī)數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，所述信號光為放大后的真空態(tài)；所述本振光為脈沖激光。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，步驟5還包括如下步驟: 步驟5.1:對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，把放大后真空態(tài)的概率空間分為若干相等部分，每部分分配固定碼字，分析數(shù)據(jù)每落到一個(gè)區(qū)間，就取一個(gè)對應(yīng)碼字； 步驟5.2:對步驟5.1中得到的數(shù)據(jù)采用偽噪聲碼和原始比特異或方法進(jìn)行去偏差處理；步驟5.3:對步驟5.2中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行SH512哈希處理，最終得到隨機(jī)數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于， 在步驟5.2中的采用的所述異或方法為Rn) = N(n)?S(n),其中N(n)為偽噪聲碼序列，S(n)為包含直流偏差的原始比特序列，D(n)為生成序列,?表示異或運(yùn)算。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于放大真空態(tài)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，所述分束器為隨機(jī) 偏振方向?yàn)?0:50的分束器。
【文檔編號】G06F7/58GK103793198SQ201410035482
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】汪超, 黃端, 黃鵬, 劉友朋, 房堅(jiān), 曾貴華 申請人:上海交通大學(xué)