自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中，量子随机数源用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，通过采样器的重新采样，偏置计算，如果计数器最低位仍有偏置，则对量子随机数源重新纠偏，如此循环，采样器的计数值最低位是无偏置后，输出随机数。利用本发明专利技术，能够产生无后处理的高质量高速真随机数。

【技术实现步骤摘要】
自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法
本专利技术涉及加密
，具体涉及一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法。
技术介绍
随机数最重要的特性是它在产生时后面的那个数与前面的那个数毫无关系。在很多场合使用的是通过一个固定的、可以重复的计算方法产生的，称为伪随机数，虽然使用了复杂的数学函数，但是在一些加密系统的应用中，已经被证明有很多途径可以攻击用伪随机数加密的系统。真正关键的应用，必须使用真随机数，而真随机数是基于物理现象产生的，比如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，这样的随机数发生器叫做物理性随机数发生器。随机数被应用在不同的场合，比如统计学的不同技术中需要使用随机数，如从统计总体中抽取有代表性的样本时，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算时等等。而在密码学的各种应用中，随机数更是必不可少的，而且要求高质量的随机数，只有这样才能保证系统的安全。尤其是在量子密钥分配的各种实现方案中，随机数在密钥的形成过程中起着至关重要的作用，如果这些随机数被第三方窃取或者破解，通讯双方通过公共信道讨论探测结果时，窃听者可能完全获取密钥而不被发现。因此，无论是在经典的信息安全领域还是在量子信息领域，一个真随机数发生器都是必须的。本专利技术设计的真随机数发生器是利用光学量子随机数源中光子计数的随机性来产生的。利用光学量子随机数源的方法有很多，比如经典的单光子通过分光器使用2个单光子探测器探测的方案，此方案由于探测器探测效率的不一致性，要做到无偏非常困难，同时此方案产生的随机数速率很低。其他方案有它的优点，同时一般都有一些缺点，比如产生速率很低，产生随机数的质量不好，或者实现非常复杂，还有就需要后处理。一个高质量的物理随机数应该是能做到无后处理而直接输出。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，以产生无后处理的高质量高速真随机数。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中：量子随机数源，用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器，用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器，用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，使采样器的计数值最低位是无偏置的，通过采样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源重新纠偏，如此循环，直到采样器的计数值最低位是无偏置后，输出随机数。上述方案中，所述量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培增管，其中，可调弱光源发出微弱光，衰减器使得光源发出的微弱光衰减到单光子水平，高灵敏光电培增管对单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。上述方案中，所述可调弱光源包括电压输入端、电阻和发光二极管，在电压输入端加电压之后，使得发光二极管发出微弱光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平。上述方案中，所述采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块，采样器在接收到光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器进行高速甄别，甄别后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样，并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。上述方案中，所述计数器采用2级方案，前一级为高速计数器，例如基于发射极耦合逻辑(ECL)的高速计数器，后一级为低速计数器，例如基于可编程门列阵(FPGA)的计数器，方便数据在FPGA中进行处理，并提供各种接口。上述方案中，所述自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数模转换模块，数据处理模块对输入的采样器计数值最低位进行数据处理，根据计数最低位的偏置情况及偏置与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模块控制数模转换输出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光源的强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的控制值，如此反复，直到采样器的计数值最低位无偏置为止。为了解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种产生自动纠偏的无后处理量子随机数的方法，该方法包括：量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理；自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，使采样器的计数值最低位是无偏置的。上述方案中，所述量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器，包括：量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培增管，在可调弱光源的电压输入端加电压之后，使得可调弱光源的发光二极管发出微弱光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平；高灵敏光电培增管对该单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。上述方案中，所述采样器对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理，包括：采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块，采样器在接收到光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样，并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。上述方案中，所述自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源自动纠偏，包括：自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数模转换模块，数据处理模块对输入的采样器计数值最低位进行偏置计算，根据计数最低位的偏置情况及偏置与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模块控制数模转换输出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光源的强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的控制值，如此反复，直到采样器的计数值最低位无偏置为止。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，使用光子达到个数的随机性来产生真随机数，利用对弱光源进行单光子水平的探测，并利用自动纠偏技术产生无后处理的高质量高速真随机数，是一种使用自动纠偏技术，无需后处理物理随机数产生器，适用于保密通讯，加密计算，密钥管理等各种需要真随机数的场合，特别是在新兴的量子保密通讯系统中，真随机数更是必不可少。2、本专利技术提供的自动纠偏的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中：量子随机数源，用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器，用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器，用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，通过采样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源重新纠偏，如此循环，直到采样器的计数值最低位是无偏置后，输出随机数。

【技术特征摘要】
1.一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中：量子随机数源，用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器，用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器，用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，通过采样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源重新纠偏，如此循环，直到采样器的计数值最低位是无偏置后，输出随机数；其中，所述自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数模转换模块，数据处理模块对输入的采样器计数值最低位进行数据处理，根据计数最低位的偏置情况及偏置与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模块控制数模转换输出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光源的强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的控制值，如此反复，直到采样器的计数值最低位无偏置为止。2.根据权利要求1所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所述量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培增管，其中，可调弱光源发出微弱光，衰减器使得光源发出的微弱光衰减到单光子水平，高灵敏光电培增管对单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。3.根据权利要求2所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所述可调弱光源包括电压输入端、电阻和发光二极管，在电压输入端加电压之后，使得发光二极管发出微弱光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平。4.根据权利要求1所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所述采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块，采样器在接收到光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样，并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。5.根据权利要求4所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所述计数器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坚，王建民，张鸿飞，
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