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。其中的方法包括：压缩装置将随机源发送的量子态转化为二维量子态并发送给测量装置；测量装置根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果并发送给评估装置；评估装置将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵，再根据平均密度矩阵，计算初始随机数的随机性；根据计算得到的初始随机数的随机性，进行隐私放大，得到最终的随机数。应用本发明专利技术可以在对源没有假设的条件下，实现源自检测的量子随机数发生器，产生所需的量子随机数。

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 method includes: the compression device will send quantum random source into a two-dimensional quantum state and sent to the measuring device; measuring device based on a set of three groups of measurement based measurement based random probability measurement using the preset preset in the two-dimensional quantum state received measurement, measurement results are obtained and sent to the evaluation device; using a random number based assessment measurement device will be received by the measurement results as the initial random number, and according to the measurement results to estimate each received quantum random source sends the average density matrix, according to the average density of random matrix, calculating the initial random number; according to the randomness of the initial random number the calculated, privacy amplification, get the final random number. By applying the present invention, a quantum random number generator derived from detection can be realized without the hypothesis of the source, and the required quantum random number is generated.

【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
本专利技术涉及量子信息
，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
随着科技的发展，信息的传递变得十分频繁。在信息的处理过程中，随机数扮演着十分重要的角色。例如，在通讯安全中，随机数的随机性保证了通讯的安全性。除此以外，在其他的很多领域，例如博彩，数值模拟等，随机数都起到重要的作用。通过经典物理学的方法可以产生看起来随机的随机数。但由于经典物理学的基本原理，经典的手段无法产生真的随机数。由于经典随机数仅仅是伪随机的，利用经典随机数将带来问题，例如，影响通讯的安全、博彩的公平性以及数值模拟的正确等等。因此，如何产生高速的可靠的真随机数具有重要的意义。基于量子力学的基本原理可以产生真的随机数。根据波恩定理，当测量破坏了量子的相干性，那么测量结果将是真正地随机。对于一个传统的量子随机数产生装置，其一般包含随机源和随机性的读取装置两部分。由于随机源包含经典和量子两部分随机性，因此如何提取出量子的随机性则十分重要。在以往的量子随机数协议中，往往对随机源有一定的假设，或者有先验的模型来刻画随机源。因此，这样的量子随机性依赖于量子随机源的模型。而模型的正确性往往是难以实际验证的，那么量子随机数的随机性的真伪也变得难以验证。对于一个没有刻画的随机源，可以通过利用量子不确定性关系来产生量子的真随机数。但由于不确定性关系是一个不等式的关系，当不等式没有取等号时，随机数的输出则不是最优的。另一方面，随机性的多少本质上依赖于量子态的相干性。综上可知，经典的手段无法产生真的随机数，而传统的量子随机数发生器依赖于对源的假设，因此其量子随机性的可靠性不强。如果量子随机源出现偏差，则输出的随机性则无法保证真伪。对于传统的源自检测随机数发生器，由于不确定性关系是不等式关系，不等号往往无法取得，因此源的随机性并没有完全被提取出来。
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，从而可以在对源没有假设的条件下，实现源自检测的量子随机数发生器，产生所需的量子随机数。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：随机源、压缩装置、测量装置、评估装置和随机数生成装置；所述随机源，用于向所述压缩装置发送量子态；所述压缩装置，用于将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给所述测量装置；所述测量装置，用于根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果发送给评估装置；所述评估装置，用于将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵，再根据所得到的平均密度矩阵，计算所述初始随机数的随机性；所述随机数生成装置，用于根据计算得到的所述初始随机数的随机性，对所述初始随机数进行隐私放大，得到最终的随机数。较佳的，所述随机源为太阳光、激光或LED光。较佳的，所述三组测量基中包括：一组用于产生随机数的随机数测量基和两组用于随机性估计的估计测量基。本专利技术中还提供了一种量子随机数生成方法，该方法包括如下步骤：随机源向压缩装置发送量子态；压缩装置将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给测量装置；测量装置根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果发送给评估装置；评估装置将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵，再根据所得到的平均密度矩阵，计算所述初始随机数的随机性；根据计算得到的所述初始随机数的随机性，对所述初始随机数进行隐私放大，得到最终的随机数。较佳的，所述随机源为太阳光、激光或LED光。较佳的，所述三组测量基中包括：一组用于产生随机数的随机数测量基和两组用于随机性估计的估计测量基。较佳的，所述预设的三组测量基分别为Z基、X基和Y基。较佳的，所述随机数测量基为Z基，所述估计测量基为X基和Y基。较佳的，所述预设的测量概率为：选择随机数测量基作为测量基的概率为(1-2p)，选择任意一个估计测量基作为测量基的概率为p。较佳的，所述p满足条件：p<(1-2p)。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，所使用的随机源可以是一个未知的随机源(也就是说，可以对源没有假设)，将该随机源产生的量子态经过squash装置转换成二维量子态并发送给测量装置之后，测量装置可以在预设的三组测量基(例如，X、Y和Z基)中随机任意选择一组测量基进行测量，并根据测量结果得到平均密度矩阵，然后可以通过对平均密度矩阵在测量基矢下相干性的计算来刻画在该基矢下随机性的刻画。通过使用本专利技术中的技术方案，可以在对源没有假设的条件下，实现源自检测的量子随机数发生器，产生所需的量子随机数；而且，通过对随机源的测量可以完整地刻画其在测量基矢下的相干性，也即是量子随机性。因此，本专利技术中的技术方案可以应用到常用的随机数发生器中，在对源没有假设的条件下，最大化地保证量子随机数的输出。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为本专利技术实施例中的量子随机数生成方法的流程示意图。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。本专利技术提出一种基于量子态相干性的源自检测量子随机数发生器以及量子随机数生成方法。通过对相干性的刻画，可以最大地提取出量子态的随机性。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：随机源11、压缩(Squash)装置12、测量装置13、评估装置14和随机数生成装置15；所述随机源11，用于向所述Squash装置12发送量子态；所述Squash装置12，用于将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给所述测量装置13；所述测量装置13，用于根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果发送给评估装置14；所述评估装置14，用于将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵再根据所得到的平均密度矩阵计算所述初始随机数的随机性；所述随机数生成装置15，用于根据计算得到的所述初始随机数的随机性，对所述初始随机数进行隐私放大(PrivacyAmplification)，得到最终的随机数。图2为本专利技术实施例中的量子随机数生成方法的流程示意图。如图2所示，本专利技术实施例中的量子随机数生成方法包括：步骤21，随机源向压缩(Squash)装置发送量子态。在本专利技术的技术方案中，所述随机源是一种可以随机发送任意量子态的量子态源。例如，较佳的，在本专利技术的具体实施例中，所述随机源可以是现有技术中常用的太阳光、激光或LED光等。因此，在本步骤中，随机源可以向Squash装置发送任意量子态。步骤22，Squash装置将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给测量装置。在本专利技术的技术方案中，所述Squash装置是本文档来自技高网...

【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：随机源、压缩装置、测量装置、评估装置和随机数生成装置；所述随机源，用于向所述压缩装置发送量子态；所述压缩装置，用于将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给所述测量装置；所述测量装置，用于根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果发送给评估装置；所述评估装置，用于将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵，再根据所得到的平均密度矩阵，计算所述初始随机数的随机性；所述随机数生成装置，用于根据计算得到的所述初始随机数的随机性，对所述初始随机数进行隐私放大，得到最终的随机数。

【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：随机源、压缩装置、测量装置、评估装置和随机数生成装置；所述随机源，用于向所述压缩装置发送量子态；所述压缩装置，用于将所接收到的量子态转化为二维量子态并发送给所述测量装置；所述测量装置，用于根据预设的测量概率随机地使用预设的三组测量基中的一组测量基对所接收的二维量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果发送给评估装置；所述评估装置，用于将所接收到的使用随机数测量基得到的测量结果作为初始随机数，并根据接收到的测量结果估算随机源发送的各个量子态的平均密度矩阵，再根据所得到的平均密度矩阵，计算所述初始随机数的随机性；所述随机数生成装置，用于根据计算得到的所述初始随机数的随机性，对所述初始随机数进行隐私放大，得到最终的随机数。2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：所述随机源为太阳光、激光或LED光。3.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述三组测量基中包括：一组用于产生随机数的随机数测量基和两组用于随机性估计的估计测量基。4.一种量子随机数生成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：随机源向压缩装置发送量子态；压缩装置将所接收到的量子态转化为二维量子态并发...

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