一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法技术

本发明专利技术提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法。其中的量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器。应用本发明专利技术可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。

A quantum random number generator and quantum random number generation method

The invention provides a quantum random number generator and a quantum random number generation method. The quantum random number generator includes: light source, quadrature component selector, zero beat detector and analog to digital converter. The invention can ensure the correctness of the source while obtaining the random number, and can also make any assumptions about the source.

【技术实现步骤摘要】
一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法
本申请涉及量子信息通信
，尤其涉及一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法。
技术介绍
在现代信息社会中，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言，在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，伪随机实际上只是“看起来像”随机数。虽然在目前的科学技术水平下，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和真随机数之间的不同，但是从本质上来说它们的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数。例如，在安全通讯领域内就不能直接使用伪随机数，否则将无法保证通讯的绝对的安全性。根据物理过程的随机性，例如：使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等都可以来产生随机数。但是，虽然这样产生的随机数不会随着计算能力的发展而产生安全风险，但其随机性却仍然没有从本质上得到有力的保证。根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，比如利用单光子探测、量子非局域性和真空态的统计涨落等特性而生成真随机数的方案都已经在实验上获得成功。同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantiquesystem，已经进入市场。但是，现有技术中的各种量子随机数产生器都不可避免地依赖于对模型的假设，以及对设备装置完美的要求。在众多量子随机数产生器中，单光子探测的方案是最简单的。单光子探测量子随机数产生器主要包括两个部分：源和测量装置。在单光子探测量子随机数产生器中，源向测量装置中的探测器发出Z基矢的态，探测器紧接着使用X基矢进行测量。如前所述，根据量子力学的基本原理，探测器得到的结果为真随机数。但是，在该方案中，如果源不包含随机性(例如，源随机地发出X基矢的本征态)，那么测量得到的结果看起来也是随机的，但是实际上却是事先决定好的，而不包含任何的随机性。因此可知，在现有技术中的单光子探测随机数产生器中，源的随机性很关键。然而在实际应用中，很难在实际场景中保证源包含足够的量子随机性。所以，由此而产生的随机数也没有得到有效地保障。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，从而可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。本专利技术的技术方案具体是这样实现的：一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；其中，所述零拍探测器包括：分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器；所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端；所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接；所述分束器用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号。较佳的，所述量子随机数发生器还进一步包括：后处理器；所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。较佳的，所述光源为本地谐振器。本专利技术还提供了一种量子随机数生成方法，该方法包括如下步骤：使用光源输出连续光；对所述连续光进行相位调制；将相位调制后的连续光和信号光输出至一个分束器，并通过该分束器分成两束光信号分别输出至第一探测器和第二探测器；第一探测器和第二探测器分别将所接收的光信号转换成第一电流信号和第一电流信号；将第一电流信号和第二电流信号的差值转换成离散的数字信号。较佳的，该方法还进一步包括：对所得到的数字信号进行后处理，将后处理之后的数字信号作为量子随机数。较佳的，该方法还进一步包括：对所得到的数字信号进行后处理，将在预设的第一时间段内所得到的数字信号作为量子随机数，将在预设的第二时间段内所得到的数字信号作为验证数据；根据所述验证数据进行随机性检验。较佳的，所述对所述连续光进行相位调制包括：通过正交分量选择器对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上。由上述技术方案可见，在本专利技术的技术方案中，由于使用了上述的光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器，从而可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设(即源无关)。另外，由于在本专利技术的技术方案中使用连续变量传递信息，因此增加了每个光子携带的信息量从而增加随机数产生率。此外，本专利技术中的技术方案通过不确定关系这一量子力学基本定律保证了最终生成随机数的随机性。此外，由于本专利技术中使用零拍探测器代替了现有技术中的单光子探测器，从而还可以大大降低成本。除此之外，本专利技术中的技术方案还可以达到Gbps级别的速度，具有很高的实用价值。附图说明图1为本专利技术实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。图2是本专利技术实施例中的量子随机数生成方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。如图1所示，本专利技术实施例中的量子随机数发生器包括：光源11、正交分量选择器12、零拍探测器(homodynedetection)13和模数转换器14；其中，所述零拍探测器13包括：分束器131、第一探测器132、第二探测器133和减法器134；所述光源11，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器12；所述正交分量选择器12，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位(例如，0或π)附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器131的第一输入端；所述分束器131的第二输入端用于接收信号光，所述分束器131的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器132和第二探测器133连接；所述分束器131用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器132，另一束光信号输出至第二探测器133；第一探测器132和第二探测器133的输出端分别与减法器134连接；所述第一探测器132，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器134的第一输入端；所述第二探测器133，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器134的第二输入端；所述减法器134，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器14；所述模数转换器14，用于所述差值转换成离散的数字信号。另外，在本专利技术的技术方案中，考虑到实际应用环境中，上述的量子随机数发生器中有可能由于周围环境的影响而引入一些经典本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；其中，所述零拍探测器包括：分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器；所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端；所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接；所述分束器用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号。

【技术特征摘要】
1.一种量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；其中，所述零拍探测器包括：分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器；所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端；所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接；所述分束器用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号。2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雄峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11