一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接。本实用新型专利技术基于自发辐射的量子物理随机过程，通过快速简单的识别光信号强度来产生数字信号，经过严格的量子熵随机提取出随机数来提供一种高集成、低成本、高速率的基于放大自发辐射的量子随机数发生器。

Quantum random number generator based on amplified spontaneous emission

The utility model discloses a quantum random number generator based on amplified spontaneous emission including: super luminescent module, optical receiver module and data processing module; the input end of the super radiation emission light emitting module and light receiving module is connected with the light receiving module of the receiving end and the output end of the data acquisition and processing module connection. The utility model has the advantages of stochastic process based on the spontaneous emission of quantum physics, by identifying the light intensity signal fast and easy to generate the digital signal, through the strict quantum entropy of random extracted random numbers to provide a quantum random number generator amplified spontaneous emission based on high integration, low cost and high speed.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器。
技术介绍
随机数顾名思义为一串0、1随机分布的序列，它是一种非常重要的资源。随机数在科学研究、工业生产、国防等众多领域都扮演着非常重要的角色。具体而言随机数广泛地应用于数值计算和模拟、密码学、网络安全、大数据存储、游戏设计、博彩业和数字通信等领域。根据随机数的产生原理可以将其分为两个大类，即伪随机数和真随机数。伪随机数是通过某种算法和特定种子生成的，可以通过一些随机性的统计测试。常用的伪随机数产生的方法为线性同余法、非线性同余法、反馈位移寄存法等。伪随机数顾名思义不是完全随机的随机数，它是通过特定算法和种子获得的数据，因此在许多较高安全保护领域，伪随机数非常难以满足需求。真随机数是通过自然界中的物理过程产生的随机数即物理随机数。利用经典物理过程产生随机数的方式有电阻的热噪声、振荡器的频率抖动、电子元件的噪音等。其中基于电阻的热噪声的真随机数已经实现了速率为20Mbps的芯片化商用阶段。理想的随机数需要满足下列三个要求：无偏性、不可预测性、不可重复性。然而考虑经典物理过程可能被攻击者所影响，因而其产生的随机数并没有从本质上得到完全的随机性保证。利用量子力学的基本原理，量子物理过程可以产生理想的真随机数。经过多年的发展目前已经有多种量子随机数发生器方案，例如基于单光子路径选择方案[J.ModernOptics,47,595(2000)]、基于光子到达时间的方案[Opt.Express18,9351(2010)]、基于真空态涨落的方案[Nat.Photonics4,711(2010)]、基于激光器相位噪声的方案[Opt.Express20,12366(2012)]等。但是现有的量子随机数发生器的方案各自存在不同的缺点，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，有的制造的成本高等问题。随着信息社会的发展，利用最小熵估计而提取的高速率、低成本的量子随机数的需求越来越强烈。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本技术提出了一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器。本技术提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接。优选地，超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器；光接收模块包括一个或多个光接收单元，滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。优选地，任意两个滤波器的中心波长不同。优选地，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级。优选地，光接收单元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，光电探测器连接滤波器，数字信号产生器连接数据采集处理模块；其中，光电探测器采用光电二极管或雪崩光电二极管，甄别整形放大器采用跨阻放大器或者前置放大器，数字信号产生器采用限幅放大器或者模数转换器。优选地，模数转换器的位宽优选为8比特。优选地，辐射发光二极管、滤波器、光电探测器、甄别整形放大器、数字信号产生器和数据采集处理模块均由电路板供电且集成工作在电路板上。优选地，超辐射发光二极管、滤波器和光电探测器通过光纤、光波导或自由空间依次连接。优选地，光电探测器和甄别整形放大器集成封装形成光接收组件。优选地，数据采集处理模块采用FPGA处理芯片、DPS芯片、GPU芯片或PC机。本技术中，超辐射发光二极管发出放大自发辐射光，经过滤波后的光子数分布具有较大方差的近似高斯分布的简并玻色-爱因斯坦分布，其通过光电探测器转化为电流信号，再经过甄别整形放大得到电压信号，利用数字信号产生器产生数字信号，数字信号经过数据采集处理模块采集得到原始部分随机的随机数序列。部分随机的序列通过基于快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数处理，得到完全随机的信息理论条件下安全的量子随机数比特串。本技术通过将放大自发辐射光的随机强度信息转化为数字信号，再通过高速采集和后处理得到量子随机数比特串。本技术基于自发辐射的量子物理随机过程，通过快速简单的识别光信号强度来产生数字信号，经过严格的量子熵随机提取出随机数来提供一种高集成、低成本、高速率的基于放大自发辐射的量子随机数发生器及产生方法。根据本技术的量子随机数发生器可以广泛的应用到对随机数需求的地方，同时可以和相应的设备集成到一起或单独使用。例如集成到量子密钥分发系统中，作为量子密钥分发系统的一个处理模块。本技术中，超辐射发光模块、光接收模块与数据采集处理模块可以集成到一个电路板上，并有进一步集成的空间。基于放大自发辐射的量子随机数发生器可以实现低成本、高速率、小型化，同时本技术的量子随机数发生器可以与众多的设备集成到一起，为它们提供安全可靠的量子随机数。附图说明图1为本技术基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构图；图2为本技术增加多个不同中心滤波器和多个光接收单元并行产生随机数的基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构图；图3为本技术提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构示意图；图4为本技术提出的另一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构示意图；图5为本技术提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生方法流程图。具体实施方式参照图1，本技术提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块。超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器，且超辐射发光二极管和滤波器集成封装。参照图2，光接收模块包括一个或多个光接收单元。滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。光接收单元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，光电探测器连接滤波器。本实施方式中，超辐射发光二极管、滤波器和光电探测器可以用光纤、光波导或者自由空间等介质连接。本技术采用的超辐射发光二极管已经做到商用蝶形封装且有进一步缩小并有大规模集成的优势。本实施方式中，光电探测器和甄别整形放大器集成封装形成光接收组件。例如，当光电探测器和甄别整形放大器分别采用雪崩光电二极管和跨阻放大器，雪崩光电二极管和跨阻放大器集成封装形成光接收组件。超辐射发光二极管产生放大自发辐射光，滤波器根据中心波长对放大自发辐射光进行滤波，光电探测器对滤波后的放大自发辐射光进行探测，并根据不同的瞬时光强将光信号转变为相应的电流信号。本实施方式中，滤波器还用来调节滤波后的放大自发辐射光在光电探测器探测时的光强分布。具体地，滤波器可通过调节中心波长调节光强分布。甄别整形放大器用于将微弱的电流信号转变为足够幅度的电压信号。数字信号产生器用于将幅度不同的电压信号处理成数字信号。本实施方式中，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级，以便让光电探测器探测到的光强的分布变为近似于高斯分布的简并玻色-爱因斯坦分布。本实施方式中，当光接收单元为多个时，可以采用多个不同中心波长的滤波器和多个光接收单元并行连接产生随机数字信号的方法，提高随机数的产生效率。参照图3、图4，具体实施时，光电探测器可采用光电二极管或雪崩光电二极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接；超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器；光接收模块包括一个或多个光接收单元，滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。

【技术特征摘要】
1.一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接；超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器；光接收模块包括一个或多个光接收单元，滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。2.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，任意两个滤波器的中心波长不同。3.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级。4.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，光接收单元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，光电探测器连接滤波器，数字信号产生器连接数据采集处理模块；其中，光电探测器采用光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，
申请(专利权)人：富尧，
类型：新型
国别省市：安徽;34