基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法，量子随机数发生器包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，所述延时干涉模块包括：主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。本发明专利技术采用了多个分束器与光纤回路组成延时干涉模块，可以通过多路数据采集产生高码率的随机数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器。
技术介绍
随机数是满足一定的统计性质，并且不具有任何固定的或是明显的模式的数字或符号的序列。随机数在科学和技术的众多领域中扮演着非常重要的角色。例如，统计抽样、随机算法、密码学、信息通信安全等。根据随机数的产生方法可以将其分为两大类：伪随机数和真随机数。伪随机数通常利用确定性的计算机软件算法和较短的随机种子序列来产生，这种确定性的算法产生的随机数列并不是完全随机的随机数列，其本质上不具有真正的随机性。因此，在对安全性有较高需求的应用中，伪随机数序列已经不能满足需要。真随机数序列是由真随机数发生器产生的，其一般而言是利用对非确定性的物理现象的测量和采样来产生的。通常真随机数满足一下三个特征：不可重复性、不可预测性、无偏性。对于产生非确定性物理现象的物理随机源有很多，比如大气噪声、电子噪声、频率抖动、辐射衰变等。然而受限于经典物理机制及现有采样提取手段，使得随机数序列的成码率很低，无法适应实际需求。随着量子技术的快速发展，真随机数在物理随机源的选择和采样测量技术上有了较大的突破。利用物理随机源的量子特性来设计的真随机数发生器，其随机性来源安全且成码率高。因此，量子随机数发生器在信息安全领域有着非常重要的应用。目前有许多量子随机数发生器的方案，例如基于单光子路径选择的方案、基于光子到达时间的方案、基于激光器相位涨落的方案等。然而现有的量子随机数发生器方案存在诸多缺点，有的系统复杂不易控制，有的随机数产生速率低，有的需要复杂的相位稳定系统不利于集成，有的需大型的仪器设备成本高。例如公开号为CN105022606A的专利文献公开了一种基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器，包括激光光源、双光束干涉仪、相位控制系统、光电探测器和模数转换器。该专利技术能够大幅度提高随机数产生速率，但存在的缺点是需要复杂的相位控制系统，不利于操控和集成。文献5.4Gbpsrealquantumrandomnumbergenerationwithcompactstructure.arXiv.org,quant-ph,arXiv:1609.02681提出了一种只利用一个分束器和光纤延时线来实现光束干涉的随机数发生器，此方案也是基于激光相位波动的随机数发生器，虽然此方案不需要复杂的相位控制系统，但所采用的模数转换器(ADC)成本高不利于集成。现有的量子随机数发生器方案中，有些随机数产生率低，无法满足高速量子通信系统的需求；有些方案的码率很高，但需要复杂的相位稳定系统或者温控系统，不利于集成，并且相应的成本较高，制约了其在实际产业中的应用和推广。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，采用了多个分束器与光纤回路组成延时干涉模块，可以通过多路数据采集产生高码率的随机数。一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，所述延时干涉模块包括：主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。本专利技术中光纤回路实际上可以理解为所有子分束器组成的环形光路。本专利技术中，除了主分束器以外，还利用多个子分束器构建光纤回路，每一个子分束器通过接收来自主分束器的子光束，以及来自光纤回路的回路光束产生干涉，干涉后的光束输入探测处理模块，进行光电转换以及生成量子随机数。本专利技术中激光光源以及探测处理模块部分，也可以采用现有技术实现。光纤回路中，按照光信号的传递方向，各个子分束器依次布置，而所述的上游、下游为相对概念，指在光纤回路中两个相邻的子分束器之间，一个处在上游，另一个则为下游。所述激光光源用于产生激光束，并将激光束输输出到延时干涉模块中。优选地，激光光源为连续激光光源，例如工作波长为1550.12nm，激光光源的波长在小范围的波动对结果影响不大，不会改变随机数的随机性，因此并没有严格限制，可选的，所述激光光源为DFB激光器。延时干涉模块中，主分束器输出端口数量至少大于等于子分束器个数，每个子分束器对应主分束器的一路输出。作为优选，所述子分束器为2×2保偏分束器，其中：一个输入端接入光纤回路中与上游子分束器连接；一个输出端接入光纤回路中与下游子分束器连接；另一个输入端连接主分束器以接收对应的子光束；另一个输出端连接探测处理模块以发送干涉后的光束。作为进一步优选，子分束器的分束比为50/50。由于光纤本身存在一定的衰减，所以分束比允许在一定范围内变动而不影响随机数的随机性。在光纤回路中为了使输入子分束器的两路光束产生相位差，继而干涉，在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线。作为优选，所有光纤延迟线的长度各不相同。这样可以保证每个子分束器的输出各不相同，提高随机数生成效率。作为优选，所述探测处理模块包括分别接收对应子分束器输出的多个SFP模块，以及采集各SFP模块输出的数字信号和生成量子随机数的FPGA处理芯片。本专利技术中，SFP模块也可以采用其他具有相应功能的模块代替，如ADC模块等。进一步，由于本专利技术中针对每个子分束器以多路数据采集的方式让随机数生成的码率成倍的增加，克服了利用SFP模块替代ADC模块后随机数码率过低的难题。作为优选，所述子分束器为2、3或4个。每个子分束器均可输出一路干涉光束，相应的匹配一SFP模块进行探测。作为优选，所述SFP模块包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器。所述光电探测器用于探测接收到的干涉光束的瞬时光强信号并将瞬时光强信号转变为电流信号。甄别整形放大器用于将来自光电探测器的电流信号转变为电压信号；根据后续处理的要求，电压信号应具有足够幅度。数字信号产生器用于将来自甄别整形放大器的电压信号处理成数字信号并输入FPGA处理芯片。优选地，所述光电探测器为雪崩光电二极管，所述甄别整形放大器为跨阻放大器，所述数字信号产生器为限幅放大器。优选地，所述限幅放大器的采样率为2.5GSa/s。为了提高集成度，可以将所有SFP模块的输出接入同一FPGA处理芯片，FPGA处理芯片根据接收到的数字信号生成部分随机的二进制比特串，然后利用快速傅里叶的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。本专利技术采用限幅放大器(集成于SFP模块中)作为模数转换器，与现有技术中的ADC相比虽然在码率上有所下降，但是现有SFP模块可以提高随机数发生器的可靠性，并同时大大降低了其成本。由于SFP测量一次电压值时只会最终输出一个比特的随机数，而不是如ADC那样生成8个bit的随机数，因此相同采样率的情况下，随机数的码率只有原来的1/8，不到1Gbps。同时现有的研究表明提升码率不能简单的通过提高采样率，只有当光源的相干时间小于采样时间时，提升采样率才会提升最终随机数的码率。而现有技术的光源的相干时间已经大于采样时间，因此提升SFP采样率无法最终提升码率，而过低的码率无疑会大大影响技术方案的实用价值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，其特征在于，所述延时干涉模块包括：主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，其特征在于，所述延时干涉模块包括：主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。2.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述子分束器为2×2保偏分束器，其中：一个输入端接入光纤回路中与上游子分束器连接；一个输出端接入光纤回路中与下游子分束器连接；另一个输入端连接主分束器以接收对应的子光束；另一个输出端连接探测处理模块以发送干涉后的光束。3.如权利要求2所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，子分束器的分束比为50/50。4.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述子分束器为2、3或4个。5.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，朱伟，陈隆，
申请(专利权)人：浙江神州量子网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33