生成随机数的方法及相关的随机数生成器技术

可以从电荷从一个导体到另一个导体的随机隧穿获得随机信号。该随机信号可以被放电，并且与随机数相关联。可以重复执行该关联以生成随机数序列。

Method for generating random numbers and related random number generator

Random signals can be obtained from the random tunneling of charges from one conductor to another. The random signal can be discharged and associated with random numbers. The association can be repeated to generate a random number sequence.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生成随机数的方法及相关的随机数生成器
改进通常涉及随机数生成领域。
技术介绍
随机数在诸如密码学，机会博弈，科学计算和/或统计研究等许多领域中发现具有应用价值。在这些应用中，生成的随机数的随机性是非常重要的，因为随机数的可预测性会导致不安全通信，比如作弊和/或不可靠的科学结果。因此，随机数生成器寻求的特征包括以相对高的速率生成随机数的同时使用在价格、体积等方面相对易使用的装置的能力。为满足这些需求，以前使用的方法通常依赖于伪随机算法和/或材料的伪随机物理性质。虽然采用这些方法生成的随机数可能乍看上去似乎是完全随机的(它们甚至可能通过国家标准与技术研究所(NIST)的用于随机数生成器的统计测试套件)，但这样的伪随机生成器通常基于确定性的方法，因而其具有缺陷，一旦该缺陷最终被发现，那么就可对结果进行预测。因此，在现有的产生随机数生成的合适装置中存在改进空间。
技术实现思路
与经典力学不同的是，量子力学呈现固有随机性质。本专利技术提供一种可将量子力学的固有随机性质用于随机数生成的方法。更具体地，本专利技术提供一种生成随机数的方法，其涉及电荷(带负电荷的电子或带正电荷的空穴)随机穿过量子隧穿势垒。隧穿电荷因此可以产生低电平的随机电子噪声，该随机电子噪声可以被过滤、放大和采样，从而得到来自量子源的随机数。该方法可以通过相对简单的电子部件实现，因此可以在普通板上实现很容易得到。电荷通过传统反射机制被势垒排斥。然而，由于量子隧穿效应，一些电荷穿过势垒，并且因而成功地从其中一个导体到达另一个导体。这种量子隧穿效应本质上是随机的，因此可被用于随机数的生成。通过电势差(例如偏压)、势垒、放大、滤波等来精确测量这种量子隧穿效应，由量子隧穿效应产生的随机数信号就可以令人满意地用于真正的随机数，并与真正的随机数相关联。并且，电子部件的测量和选择还可以允许使用非常简单的电子部件以令人满意的速率生成这样的随机数。该量子隧穿势垒可以是，例如，夹在导体之间的电绝缘体的形式。由此，因为量子隧穿是一种没有复杂而又确定性的要素的真正随机的量子过程，所以能够穿过量子隧穿势垒并且生成随机电子噪声(本文中称为随机信号)的电荷可以以真正随机的方式这样做。此外，本专利技术还提供一种随机数生成器，其包括安装有量子隧穿势垒的板或者印刷电路板(PCB)，且该板适于连接至既可直接与该板合并也可单独设置的电压源(电荷源)上。由于量子隧穿可以涉及可以高速穿过量子隧穿势垒的大量的隧穿电荷，因此这样的随机数生成器在理论上允许随机数非常迅速的生成和获取。依照本专利技术的一个方面，提供了一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：量子隧穿电荷穿过量子隧穿势垒由一个导体到达另一导体；接收由电荷的量子隧穿产生的随机信号；将随机信号与随机数进行关联；以及生成表明随机数的信号。依照本专利技术的另一方面，提供了一种随机数生成器，其包括：板；量子隧穿势垒，其安装至两个导体之间的板上，该量子隧穿势垒允许电荷随机从其中一个导体隧穿到另一个导体，从而生成随机信号；放大器，其安装至板，并且连接至两导体中的一个导体，用于放大随机信号；采样装置，其安装至该板，并且连接至放大器，用于将随机信号与至少一个随机数进行实时关联。依照本专利技术的一个方面，提供了一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：在两个导电层上施加电势差，这两个导电层被位于它们之间的至少一个绝缘层分隔开，该电势差引起穿过该至少一个绝缘层的电荷的随机量子隧穿，从而生成随机信号；以及将该随机信号与随机数进行关联。依照本专利技术的另一方面，提供了一种随机数生成器，其包括：板；量子隧穿势垒，其安装至该板，具有至少两个导电层及至少一个位于这两个导电层之间的绝缘层，至少一个绝缘层具有两个外部相对面，每个面与两个导电层中相应的一个导电层相接触，这两个导电层可以连接至电压源的第一端子和第二端子，当电压源工作时，量子隧穿势垒允许电荷随机隧穿该量子隧穿势垒，从而生成随机信号；放大器，其安装至板，该放大器连接至两个导电层中的一个导电层，用于放大随机信号；采样装置，其安装至板，并且连接至放大器，用于将随机信号与至少一个随机数进行实时关联。本领域技术人员在阅读了本专利技术公开的内容后，可以理解与本改进相关的许多进一步特征及其组合。附图说明附图中，图1为与生成随机数相关的流程图；图2为说明了电子撞击绝缘层的经典反射的例子和电子穿过绝缘层的量子隧穿的例子的示意图；图3展示了根据本专利技术的实施例的随机数映射的例子；图4为与随机数生成器相关的电子电路；图5A～5C展示了具有至少一个绝缘层的量子隧穿势垒的示意图；图6展示了量子隧穿势垒的例子的示意图；图7展示了用于制作量子隧穿势垒的光刻制程的例子的步骤的示意图。具体实施方式图1为基于电荷(电子或空穴)穿过量子隧穿势垒的随机量子隧穿原理生成随机数的方法的流程图。如以下将参照图2更详细地说明，量子隧穿势垒可以是两个导体之间的间隔的形式，电荷可以通过经典反射被该量子隧穿势垒反射，或通过量子隧穿穿过该量子隧穿势垒。由穿过量子隧穿势垒的电荷随机隧穿产生的随机信号被接收(感测、监控)，并且，电脑或电子部件可以根据例如，信号的实时振幅，将该随机信号与随机数进行关联。这个过程可以以令人满意的速率重复令人满意的次数。通过在量子隧穿势垒施加的电势差可以有选择地帮助随机量子隧穿。可以按照在引起电荷的经典反射的同时又允许电荷由于量子过程而随机穿过量子隧穿势垒的方式选择量子隧穿势垒。正如后面将结合图5A，5B，5C进行详细说明的，例如，量子隧穿势垒可以设置为一个或多个叠加绝缘层的形式，在这种情况下，导体可以包括应用于一个或多个绝缘层的导电层。当执行了施加电势差的步骤时，由于至少一个绝缘层形成的固有势垒，因而该电势差可防止电荷由一个导电层传导至另一导电层。而且，该量子隧穿势垒的绝缘层可用于穿过量子隧穿势垒的电荷的随机隧穿。本方法还包括根据随机隧穿的电荷生成随机信号的步骤。当电荷从一个导体层隧穿至另一导体层时，隧穿的电荷的电流或流动穿过量子隧穿势垒的绝缘层。因此，这些完成随机隧穿的电荷生成随机信号，该随机信号可以在将指定时间内接收到的随机信号与随机数字进行关联的步骤中进行处理。如图2所示，量子隧穿势垒具有至少一个绝缘层作为入射电荷的反射器。因此，通过量子隧穿随机穿过势垒的电荷已经穿过至少一个绝缘层。此外，本方法还包括对电势差进行偏压以固定施加在两个导电层上的电势差的步骤。另外，随机信号中频率低于0.1MHZ及高于6000MHZ的组分将被滤除，从而清除随机信号中由连接在导电层上的其他电子部件导致的噪声。这样一来，随机信号中的直流(DC)部分和更高频率就被滤除了。由于隧穿电荷生成的随机信号通常难以测量，因此上述生成随机数的方法还包括放大随机信号的步骤。随机信号的使用可以被限制在随机信号中频率在0.1MHZ～1000MHZ之间的组分，适于处理噪声的潜在不需要组分。换言之，例如，随机信号中具有直流(DC)部分和更高频率的组分不会被放大。可以理解的是，将随机信号与随机数字进行关联的步骤可能包括本文中称为采样随机信号的步骤。该采样步骤可以将随机信号的(实时的)瞬时电平与特定数字进行关联。一旦该特定数字与随机信号的瞬时电平相关联，那么可以区分出较高有效位而仅保留较低有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：量子隧穿电荷穿过量子隧穿势垒从一个导体到达另一个导体；接收由所述电荷的量子隧穿产生的随机信号；将所述随机信号与随机数进行关联；生成表明所述随机数的指示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.09 US 61/990,7511.一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：量子隧穿电荷穿过量子隧穿势垒从一个导体到达另一个导体；接收由所述电荷的量子隧穿产生的随机信号；将所述随机信号与随机数进行关联；生成表明所述随机数的指示。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过在所述两个导体上施加电势差产生量子隧穿，其中，在所述施加电势差的过程中，通过所述电势差，所述量子隧穿势垒引起被驱动的电荷的经典反射与所述量子隧穿势垒撞击。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括在所述关联之前将所述随机信号放大。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述放大仅适用于所述随机信号在0.1MHz～1000MHz的频率带宽内的组分。5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述关联还包括对所述随机信号采样。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采样还包括根据采样到的所述随机信号的多个比位中的最低有效位中的一个或多个确定所述随机数。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述采样以高于每秒10亿次采样的速率进行。8.一种随机数生成器，包括：板；量子隧穿势垒，其安装至两个导体之间的所述板，所述量子隧穿势垒允许电荷从所述导体中的一个导体随机隧穿到另一个导体以生成随机信号；放大器，其安装至所述板，所述放大器连接至所述两个导体中的一个导体，用于放大所述随机信号；采样装置，其安装至所述板，并且连接至所述放大器，用于将所述随机信号与至少一个随机数进行实时关联。9.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述量子隧穿势垒具有至少一个绝缘层，所述绝缘层具有两个外部相对面，每个所述外部相对面地与所述两导体中的相应一个导体接触，所述两导体处于导电层夹住所述绝缘体的形式。10.根据权利要求8或9所述的随机数生成器，其特征在于，还包括电压源，其连接至所述两个导体，并且可操作以产生电势差，所述电势差...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯特兰·鲁莱特，
申请(专利权)人：量子数公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA