一种设备无关量子随机数产生器系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种设备无关量子随机数产生器系统，其包括纠缠源、测量站Alice、测量站Bob、数据处理中心、以及同步信号源，并且纠缠源、测量站Alice和Bob之间被设置成满足类空关系。其中在泵浦脉冲产生、高性能光源设计、高系统效率产生、高速基矢选择方案等方面提出了实验验证的具体解决方案，解决了可触发脉冲的纠缠产生问题，在高效率的产生、收集、检测纠缠的同时保证光源与测量站类空间隔的问题，以及高速基矢选择与测量的问题，因而能够产生真正基于量子物理的可验证的随机数。

【技术实现步骤摘要】
一种设备无关量子随机数产生器系统及方法
本专利技术涉及随机数产生领域，具体涉及一种设备无关量子随机数发生器系统及方法。
技术介绍
在经典物理中，理论上，只要精确的确定系统的初态与运动规律，便可以准确的预测系统未来的所有状态。而量子力学具有量子态叠加的性质与测量的内禀随机性，在理论上可以产生不同于基于算法或者经典物理过程的伪随机数的真正随机数，即量子随机数，为真正的随机性产生提供了物理基础。因此，通常我们认为基于量子力学的随机数产生装置可以提供随机性超过基于经典力学随机数产生装置的随机数。在基于量子力学的随机数产生装置(亦即量子随机数产生器)提出后，人们提出了基于各种不同原理的量子随机数发生器。例如基于单光子空间波函数坍缩、基于光子时间维度波函数叠加、基于相位真空涨落噪声等不同原理的量子随机数产生器。基于单光子空间模式叠加态坍缩引起的量子随机数产生器是一种简单的量子随机数产生器。这种随机数产生器包含单光子源和分束器。光子通过分束器后，处于分束器出口1和出口2的空间模式模式的叠加态。使用单光子探测器在两个出口进行探测，光子会随机坍缩到某一空间模式。根据光子探测的结果，可以产生基于“测量-叠加态坍缩”这一量子力学基本假设的随机数。目前市场上已经有基于类似原理的量子随机数发生器，例如ID-Quantique公司生产的随机数发生器。但是需要指出的是，最直接利用量子力学原理的量子随机数产生器不可避免地依赖于理论模型的假设，只有在设备与理论模型完全吻合的情况下才能真正利用量子力学原理产生随机数。例如，上述随机数产生装置需要确保光源是真正的单光子源，分束器可以完美的进行1：1分束，链路与单光子检测装置以100％效率检测到光子，并且整个系统没有任何噪声。同时，这类随机数产生器要求系统的任何一部分装置不能有恶意行为，例如试图通过光源、探测等产生固定模式进行伪造随机数。在现实条件下，为了能保证产生随机数的随机性与不可预测的性质，需要对随机数产生装置做出一系列假设，对实验环境提出很多要求。一方面，这些要求可能无法实现，例如，我们无法实现真正的单光子源，100％探测效率且无噪声的单光子探测器等；另一方面，作为用户，必须相信制造商采用的所有部件均忠实的实现其功能，并且没有任何恶意伪造、窃听等行为。为了解决现实环境随机数产生设备不完美的问题，以产生更高安全性的随机数，一种方法是利用基于贝尔不等式破坏的设备无关的量子随机数生成方案。贝尔不等式提供了一种检验经典物理所不具备的量子关联的方法，贝尔不等式的破坏说明系统中存在经典物理无法解释的量子关联。利用这些量子关联，可以产生真正的随机数。设备无关的量子随机数生成方案通过随机抽取测试比特进行不等式的检验，进而根据不等式结果计算可以生成的真正的量子随机数的下限。利用设备无关的量子随机数生成方案产生的随机数可以产生真正量子的随机数，并且达到最高的安全性，即使设备部件由恶意第三方制造，仍然可以保证生成随机数的安全与随机。设备无关的量子随机数生成具有最高的安全性，但现实系统的不完美可能会降低其真实安全性。设备无关的量子随机数最关键的部分是贝尔不等式的破缺。自贝尔提出在数学上可区分量子与经典的不等式值和，科学家已经就贝尔不等式破缺开展了几十年的实验研究。在对不等式检验的不断深入研究中，研究者发现设备不完美可能带来漏洞，经典的局域隐变量系统可以利用这些漏洞模拟量子力学，破坏贝尔不等式。因此如果设备无关的量子随机数系统采用的不等式测量装置中存在这些漏洞，器件不完美可能通过漏洞影响生成随机数的性质，攻击者也可能利用漏洞控制生成的随机数。贝尔不等式检验实验中可能存在的漏洞主要包括探测效率不够高引起的效率漏洞，探测装置可能相互影响造成的局域性漏洞，以及光源、探测与基矢选择可能存在相互关联引起的自由选择漏洞。在前些年进行的设备无关的量子随机数生成实验尝试中，通常进行某些妥协，例如因为系统效率无法达到理论需求而必须进行均匀采样的假设、对源或测量的安全性做出假设、在理论分析中采用独立同分布(i.i.d.)假设，等等。这些假设均大大削弱该类方案实验实现的安全性与最终随机数的随机性。在贝尔不等式提出后的几十年，研究者认为最终在实验上关闭所有可能的漏洞，即进行无漏洞的贝尔不等式检验，可以避免上述设备不完美的漏洞，最终实现真正的量子物理验证。利用无漏洞的贝尔不等式进行量子随机数生成，可以完全避免设备不完美，真正实现设备无关的量子随机数生成。但无漏洞的贝尔不等式检测对实验系统性能要求极高，通常要求纠缠光子产生、收集、传输、调制到最终探测的总效率不低于72％；光源与探测距离保持至少几十米的距离，以保证类空关系；同时采用可信的随机数随机数产生装置，以便保证随机选择基矢。在贝尔不等式提出几十年后，直到在2015年，荷兰，美国及奥地利的实验小组才分别首次在实验上进行了无漏洞的不等式检测。设备无关的随机数产生基于无漏洞的贝尔不等式，但由于需要积累不等式破坏过程产生的随机性以便进行随机数生成，该方案对性能的要求远高于无漏洞的贝尔不等式。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提出一种设备无关量子随机数产生器系统及方法，其能够实现性能更高的无漏洞的贝尔不等式检测，并用于设备无关的量子随机数产生。在本专利技术中，纠缠光子的产生、收集、传输、调制到最终探测的总效率不低于78％，且通过设计时空关系保证产生器系统中纠缠源与各测量站之间的类空，并设计高速基矢选择等方案，实现了无漏洞的贝尔不等式检测。具体而言，本专利技术在泵浦脉冲产生、高性能光源设计、高系统效率产生、高速基矢选择方案等方面提出了实验验证的具体解决方案，解决了如何进行可触发脉冲的纠缠产生问题，解决了非常高效率的产生、收集、检测纠缠的问题，解决了进行高效率纠缠产生、收集、检测同时，保证光源与测量站类空间隔的问题，解决了高速基矢选择与测量的问题，因而能够产生真正基于量子物理的可验证的随机数。本专利技术的一个方面涉及一种设备无关的量子随机数产生器系统，其可以包括纠缠源、测量站Alice、测量站Bob、数据处理中心、以及同步信号源。所述同步信号源可以被设置成向所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob提供同步信号。所述纠缠源可以被设置成产生纠缠光子对，并将所述纠缠光子对分发给所述测量站Alice和所述测量站Bob。所述测量站Alice包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果。所述测量站Bob包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果。所述数据处理中心被设置成收集所述可信随机数及相应的纠缠态测量结果，基于所述纠缠态测量结果进行贝尔不等式破坏测试和产生随机数的分析，并通过随机数提取矩阵提取出最终的随机数。并且，所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob被设置成使以下事件满足类空关系：所述测量站Alice中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站Bob中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备无关的量子随机数产生器系统，其包括纠缠源、测量站Alice、测量站Bob、数据处理中心、以及同步信号源；其中，所述同步信号源被设置成向所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob提供同步信号；所述纠缠源被设置成产生纠缠光子对，并将所述纠缠光子对分发给所述测量站Alice和所述测量站Bob；所述测量站Alice包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果；所述测量站Bob包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果；所述数据处理中心被设置成收集所述可信随机数及相应的纠缠态测量结果，基于所述纠缠态测量结果进行贝尔不等式破坏测试和产生随机数的分析，并通过随机数提取矩阵提取出最终的随机数；并且，所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob被设置成使以下事件满足类空关系：所述测量站Alice中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入；所述测量站Alice中的所述纠缠态测量与所述测量站Bob中的所述纠缠态测量；所述测量站Alice或Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站Bob或Alice中的所述纠缠态测量；以及所述测量站Alice和Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述纠缠光子对的产生。...

【技术特征摘要】
1.一种设备无关的量子随机数产生器系统，其包括纠缠源、测量站Alice、测量站Bob、数据处理中心、以及同步信号源；其中，所述同步信号源被设置成向所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob提供同步信号；所述纠缠源被设置成产生纠缠光子对，并将所述纠缠光子对分发给所述测量站Alice和所述测量站Bob；所述测量站Alice包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果；所述测量站Bob包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果；所述数据处理中心被设置成收集所述可信随机数及相应的纠缠态测量结果，基于所述纠缠态测量结果进行贝尔不等式破坏测试和产生随机数的分析，并通过随机数提取矩阵提取出最终的随机数；并且，所述纠缠源、所述测量站Alice和所述测量站Bob被设置成使以下事件满足类空关系：所述测量站Alice中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入；所述测量站Alice中的所述纠缠态测量与所述测量站Bob中的所述纠缠态测量；所述测量站Alice或Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站Bob或Alice中的所述纠缠态测量；以及所述测量站Alice和Bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述纠缠光子对的产生。2.如权利要求1所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠源包括泵浦光源、纠缠光量子态控制模块、以及纠缠光子产生和收集模块；其中，所述泵浦光源被设置成提供用于产生纠缠光子对的泵浦光；所述纠缠光量子态控制模块被设置成对所述泵浦光的偏振态进行控制，以实现对所述纠缠光子对的量子态的控制；所述纠缠光子产生和收集模块被设置成使所述泵浦光基于自发参量下转换作用产生参量光，利用所述参量光的干涉产生所述纠缠光子对，并且对所述纠缠光子对进行收集和输出。3.如权利要求2所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述泵浦光源包括激光器、光脉冲放大器、非线性晶体倍频单元及滤波单元，其中，所述滤波单元提供在所述激光器的波长上的滤波。4.如权利要求3所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其中，所述滤波单元包括多个串联的波分复用器。5.如权利要求2所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠光量子态控制模块包括偏振分束器、第一1/4波片、半波片和第二1/4波片。6.如权利要求2所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠光量子态控制模块包括偏振分束器、半波片和液晶片；其中，所述偏振分束器被设置成使所述泵浦光起偏，所述半波片被设置成使所述起偏的泵浦光的偏振态变为水平和竖直偏振的叠加，所述液晶片被设置用于控制所述泵浦光的水平和竖直偏振之间的相位差。7.如权利要求2所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠光子产生和收集模块包括：泵浦光输入单元，其用于输入所述泵浦光；纠缠光子产生单元，其包括自发参量下转换晶体，且被设置成使所述泵浦光在所述自发参量下转换晶体内发生参量下转换以生成所述参量光，并使所述参量光发生干涉以产生所述纠缠光子对；以及第一纠缠光子收集单元和第二纠缠光子收集单元，其分别用于收集所述纠缠光子对，并将其朝向所述测量站Alice和所述测量站Bob输出。8.如权利要求7所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述泵浦光输入单元包括光纤耦合器和非球面镜；其中，所述非球面镜被设置成对所述泵浦光进行准直和/或聚焦，以使所述泵浦光聚焦至所述参量下转换晶体上的模场直径。9.如权利要求8所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述光纤耦合器被设置成利用模场直径为5μm的780nm的光纤输出所述泵浦光；所述非球面镜具有f＝8mm的焦距；所述光纤耦合器和所述非球面镜被布置成使高斯光束模式的所述泵浦光具有180μm的束腰，且所述束腰距离所述用于输出所述泵浦光的光纤的出口70cm。10.如权利要求7所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述泵浦光输入单元和所述纠缠光子产生单元之间设置有所述纠缠光量子态控制模块。11.如权利要求7所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠光子产生单元还包括第一双波长反射镜、第二双波长反射镜、双波长半波片、以及双波长的偏振分束器；所述第一双波长反射镜、所述第二双波长反射镜和所述双波长的偏振分束器被设置形成三角形的萨格奈克环，其中，所述第一双波长反射镜和所述第二双波长反射镜具有22.5度的入射角，所述自发参量下转换晶体位于所述三角形的长边中间位置，所述双波长半波片光轴方向与水平方向夹角45度。12.如权利要求11所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述自发参量下转换晶体为PPKTP晶体；并且/或者所述泵浦光输入单元和所述纠缠光子产生单元布置成使所述泵浦光的束腰位置与所述自发参量下转换晶体的中心重合。13.如权利要求7所述的设备无关的量子随机数产生器系统，其特征在于，所述纠缠光子收集单元包括：光纤耦合器；球面镜和非球面镜组，其用于调节所述参量光的模场直径；以及滤波单元，其用于对所述参量光提供在所述泵浦光波长上的滤波。14.如权利要求13所述的设备无关的量子随...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，范靖云，张强，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34