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：单光子源、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述单光子源，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；所述单光子源的输出端与所述第一分束器的输入端连接；所述第一分束器的第一输出端通过等离子体介质与所述第一单光子探测器连接；所述第一分束器的第二输出端与所述第二单光子探测器连接；所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端。应用本发明专利技术可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子随机数生成
，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
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，现代社会中有很多用到随机数的场合。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。但是，现有技术中所使用的经典方法一般只能产生伪随机数，即往往是基于某些算法产生的伪随机数，这些伪随机数是可以被预测的。而且，从其原理上来看，伪随机数实际上只是“看起来像”随机数，也就是说，以现在的科学技术水平，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数与真随机数之间的不同。但是，由于从本质上来看，伪随机数与真随机数的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，从而无法在安全通讯(例如，量子通信)等领域里保证绝对的安全性。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、放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样产生的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上得到保证。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都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantiquesystem，已经进入市场。但是，值得指出的是，这些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。在现有技术中，主要是采用对已知源直接进行量子测量的方法，来产生由量子力学原理保障的真随机数。例如，根据ID-Quantique随机数发生器的白皮书所述，发光二极管向分束器(BeamSplitter)发射单光子，并由两个单光子探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单光子会透射还是反射本质上是一个量子效应，因而得到真随机数。但是，现有技术中的量子随机数发生器大多采用单光子探测的方法，不仅需要相信光源的随机性，而且最终的随机数产生速率也受到单光子探测器死时间(deadtime)的制约。因此，在实际应用中，很难在实际中保证源包含足够的量子随机性，由此产生的随机数也没有得到保障。
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，从而可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。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，其特征在于，该量子随机数发生器包括：单光子源、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述单光子源，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；所述单光子源的输出端与所述第一分束器的输入端连接；所述第一分束器的第一输出端通过等离子体介质与所述第一单光子探测器连接；所述第一分束器的第二输出端与所述第二单光子探测器连接；所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端。较佳的，第一单光子探测器和第二单光子探测器均为具有分辨光子到达时间功能的单光子探测器。较佳的，所述第二单光子探测器，还用于测量单光子脉冲的到达时间；所述第一单光子探测器，还用于通过测量单光子的到达时间来计算出单光子脉冲的中心频率。较佳的，当所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第二单光子探测器的输出端为随机性检验端；当所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第一单光子探测器的输出端为随机性检验端。较佳的，所述单光子源包括：中心频率调制器、发射时间调制器、第二分束器和触发器；所述中心频率调制器，用于输出频率调制的单光子脉冲；所述发射时间调制器，用于输出时间调制的单光子脉冲；所述触发器分别与所述中心频率调制器和发射时间调制器连接，用于随机触发所述中心频率调制器或发射时间调制器向所述第二分束器输出单光子脉冲；所述第二分束器的第一输入端与所述中心频率调制器的输出端连接；所述第二分束器的第二输入端与所述发射时间调制器S2的输出端连接；所述第二分束器的输出端与所述第一分束器的输入端连接。较佳的，所述中心频率调制器和发射时间调制器均为脉冲激光器。本专利技术中还提供了一种量子随机数生成方法，该方法包括如下的步骤：随机地向第一分束器发射频率调制或时间调制的单光子脉冲；第一分束器将接收到的频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲，随机地通过第一输出端和等离子体介质输出至第一单光子探测器，或者通过第二输出端输出至第二单光子探测器；从第一单光子探测器的输出端和第二单光子探测器的输出端中，任意选择一个输出端作为随机数输出端；根据随机数输出端输出的测量结果生成随机数。较佳的，所述随机地向第一分束器发射频率调制或时间调制的单光子脉冲包括：设置中心频率调制器、发射时间调制器、第二分束器和触发器；触发器随机触发中心频率调制器或发射时间调制器向第二分束器输出单光子脉冲；所述中心频率调制器向第二分束器的第一输入端输出频率调制的单光子脉冲；所述发射时间调制器向第二分束器21的第二输入端输出时间调制的单光子脉冲。较佳的，该方法进一步包括：当选择第一单光子探测器的输出端作为随机数输出端时，将所述第二单光子探测器的输出端作为随机性检验端；当选择所述第二单光子探测器的输出端作为随机数输出端时，将所述第一单光子探测器的输出端作为随机性检验端；根据随机数输出端和随机性检验端输出的测量结果生成检测结果。较佳的，所述根据随机数输出端和随机性检验端输出的测量结果生成检测结果包括：计算随机性检验端输出的测量结果的香农熵；根据随机数输出端和随机性检验端输出的测量结果以及所述香农熵，计算得到所生产的随机数的随机性。较佳的，根据如下的公式计算得到所述随机数的随机性：H(t)≥C-H(ω)；其中，ω为单光子脉冲的中心频率，t为单光子脉冲的到达时间，H(ω)为随机性检验端输出的测量结果的香农熵，H(t)为随机数输出端输出的测量结果的香农熵。由上述技术方案可见，在本专利技术的量子随机数发生器及量子随机数生成方法中，由于单光子源可以随机地输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲，并使用分束器将频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲等概率地输出至第一单光子探测器或第二单光子探测器，因此，可以从第一单光子探测器和第二单光子探测器中任意选择一个输出端作为随机数输出端，并根据随机数输出端输出的测量结果生成随机数。由此可知，本专利技术中的量子随机数发生器及量子随机数生成方法中，可以随机测量单光子脉冲的到达时间和中心频率，最终所生成随机数的随机性由量子力学原理中的不确定关系这一基本定律保证，可以得到真正的随机数，而不需要对光源进行任何假设，光源的随机性是自检测的，与光源的具体实现无关(即源无关，所使用的光源可以是任意的)，从而在获取随机数的同时保证了源的正确性，使得所获得的随机数为真随机数，因此可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。同时，本专利技术中采用连续变量中的单光子脉冲时间和频率的测量来产生随机数，使用连续变量传递信息，增加了每个光子携带的信息量，因此可以增加随机数产生率；另外，时间和频率这两个物理量都是具体可测的物理量，因此可以直接利用相本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：单光子源、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述单光子源，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；所述单光子源的输出端与所述第一分束器的输入端连接；所述第一分束器的第一输出端通过等离子体介质与所述第一单光子探测器连接；所述第一分束器的第二输出端与所述第二单光子探测器连接；所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端。

【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：单光子源、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述单光子源，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；所述单光子源的输出端与所述第一分束器的输入端连接；所述第一分束器的第一输出端通过等离子体介质与所述第一单光子探测器连接；所述第一分束器的第二输出端与所述第二单光子探测器连接；所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端。2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：第一单光子探测器和第二单光子探测器均为具有分辨光子到达时间功能的单光子探测器。3.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：所述第二单光子探测器，还用于测量单光子脉冲的到达时间；所述第一单光子探测器，还用于通过测量单光子的到达时间来计算出单光子脉冲的中心频率。4.根据权利要求3所述的量子随机数发生器，其特征在于：当所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第二单光子探测器的输出端为随机性检验端；当所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第一单光子探测器的输出端为随机性检验端。5.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述单光子源包括：中心频率调制器、发射时间调制器、第二分束器和触发器；所述中心频率调制器，用于输出频率调制的单光子脉冲；所述发射时间调制器，用于输出时间调制的单光子脉冲；所述触发器分别与所述中心频率调制器和发射时间调制器连接，用于随机触发所述中心频率调制器或发射时间调制器向所述第二分束器输出单光子脉冲；所述第二分束器的第一输入端与所述中心频率调制器的输出端连接；所述第二分束器的第二输入端与所述发射时间调制器S2的输出端连接；所述第二分束器的输出端与所述第一分束器的输入端连接。6.根据权利要求5所述的量子随机数发生器，其特征在于：所述中心频率调制器和发射时...

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