一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案制造技术

本发明专利技术提供一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，用于制备安全性与源无关的真随机数。其实现步骤如下，步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ；步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。本方案不同于以往测量可提取真随机数比率的方法，通过实时监控前后两个时刻的相位差，实时处理探测结果获得实时的可提取真随机数含量，并以此进行随机数提取，所得随机数的随机性与安全性与源无关。

A scheme of source independent quantum random number generator using phase monitoring module

The invention provides a source independent quantum random number generator using a phase monitoring module, and is used to prepare a real random number which is safe and independent from the source. The following steps are as follows: Step 1: the phase monitoring module monitors the output light of the laser. The phase difference between the adjacent time is delta theta. Step 2: the above output light is connected to the coupler after the monitoring device, the other input end of the coupler is suspended, and the output light of the coupler is collected after the flat zero beat detection and is collected by the data acquisition card. Data; step 3: the later time detection results are combined with the multiplicative value of sin delta theta, and the maximum entropy calculation can be used to extract the number of random numbers and the real random number extraction. The scheme is different from the method of measuring the real random number ratio in the past. By real-time monitoring the phase difference between the two moments before and after real-time monitoring, the real time true random number content can be obtained in real time, and then the random number is extracted. The randomness and safety of the random number are independent of the source.

【技术实现步骤摘要】
一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案
本专利技术涉及量子随机数生成领域，特别涉及基于连续型量子源制备真随机数且系统安全性与源无关的方案，尤其是一种基于连续型量子源实时估算真随机数比率并产生真随机数，且系统安全性与源无关的方案。
技术介绍
随机数在密码学、博彩活动、统计抽样、蒙特卡洛模拟及计算科学中，无不扮演着重要的角色。随机数的随机性质量的高低直接决定了相应应用最终的工作性能。现有的随机数发生器主要分为基于算法的随机数发生器和基于物理系统的随机数发生器。基于数学算法的随机数发生器所产生的随机数虽然在数学上可以满足一些随机统计性质，有的还可以通过现有公认的统计检验，但由于这种随机数是基于确定性算法，其随机性来源于输入种子的随机性。当其被频繁应用时，与传统密码一样有被破解的可能，不具有真的安全性。在基于算法的随机数发生器之外，从物理随机过程中提取随机数的系统统称为物理随机数发生器。其中，由于量子随机数发生器利用量子力学内禀随机性，并普遍认为具有真随机性，理论上能产生具有真正不可预测性的无穷长真随机数序列。然而在实际设计中，由于器件的非理想性，以及潜在窃听者的存在等不可控因素的存在，实际系统存在安全性漏洞，如何克服这些安全漏洞就显得尤为总要。随机源对于一个随机数发生器系统来说尤为重要，它的安全性从根本上影响着最终生成随机数的安全性，因此，对于源的安全性分析显得尤为重要。在实际系统中，由于硬件的非理想性，可能导致最终提取真随机数的比率高于实际可提取真随机数的比率，最终引起所产生的随机数仍具有安全漏洞；同时，潜在的窃听者通过窃听源信息，或窃听者直接控制制备源，这对最终随机数的安全性也是一个极大的挑战。为了解决这一问题，使随机数发生器系统的安全性与源无关，且能实时高效的制备优质安全的真随机数，我们提出一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案。本方案通过监控相邻两个时刻的相位差，利用其中一个时刻的探测结果计算最大熵，相邻的后一次测量结果结合已知最大熵和相位差计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。从而实现高效安全可监控的随机数提取和生成。本方案具有系统简单，容易实现，安全性有保证，且随机数制备速率快等特点。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对实际量子随机数发生器中的源制备的非理想性，本专利技术提出了一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，是一种通过监控相邻两个时刻的相位差，利用其中一个时刻的探测结果计算最大熵，相邻的后一次测量结果结合已知最大熵和相位差计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。从而实现高效安全可监控的随机数提取和生成。(二)技术方案本专利技术提供的一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，包括三个步骤步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ＝θ2-θ1；步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。上述步骤按照顺序依次进行。所述的系统利用相位监控模块对激光器输出光进行监控，是指监控激光器输出光前后两个相邻时刻的相位差，步骤1包括如下步骤：步骤1a：激光源制备线偏振光，通过保偏光纤接入相位监控模块中进行相位监控；步骤1b：记前一时刻相位为θ1，下一时刻由于相位偏移，产生Δθ＝θ2-θ1大小的相位差，将监控时间信息和相位信息传送给数据处理单元。所述的输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据，这一操作过程是对随机源进行零拍检测的一般步骤。步骤2包括如下步骤：步骤2a：上述输出光经监控之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，其中激光输出光作为本征光，悬空一端实际引入的是真空态噪声；步骤2b：利用平衡零拍探测器对耦合器输出的光信号进行检测，并使用数据采集卡采集数据。所述的后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取，这是指系统可以通过监控相邻两个时刻的相位差，利用其中一个时刻的探测结果计算最大熵，相邻的后一次测量结果与sinΔθ的乘值结合已知最大熵和相位差计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。步骤3包括如下步骤：步骤3a：由于已知监控时间信息和相位监控信息，记此时相位为θ2，获取前一时刻的探测结果，并利用探测结果估算最大熵；步骤3b：进行相邻后一时刻的探测时，由于相位偏移，此时与上一时刻有Δθ＝θ2-θ1的相位差，此时所获探测结果在如图1所示的投影分量与上一时刻的测量值相正交；步骤3c：结合前一次探测计算所得的最大熵，相邻的后一次测量结果可以计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。其中，所述步骤3a中最大熵的是根据计算所得，所得最大熵用于确定下一时刻所探测的数据所能提取的真随机数含量的下边界，下边界计算公式为Hmin(Z|E)≥log(d)-Hmax(A1)，其中log(d)的取最小值为Z为A2与sinΔθ的乘值；所述步骤3c中利用实时估算的可提取真随机数比率进行随机提取，一方面可以实现对系统的实时监控，另一方面，利用可证明安全性的严苛的可提取真随机数比率下界进行随机数提取也确保了无论源是否为窃听者所窃听或制备，随机数发生器的安全性都与源的安全性无关。(三)有益效果本专利技术通过光开关和无源相移器等简单器件，实现对两个正交分量的随机检测，利用其中一路计算所得的最大熵计算另一路的条件最大熵的下界，从而获取安全的源无关的可提取真随机数比例，并依次进行随机数提取。具有可长期工作，可实时监控，高真随机数生成速率，随机数安全性与源无关等优点。附图说明图1为相邻两次测量的测量结果与相位的关系图图2为本专利技术的原理实现框架示意图具体实施方式本专利技术通过光开关和无源相移器搭建的简单系统，实现对两个正交分量的随机检测，利用其中一路计算所得的最大熵计算另一路的条件最大熵的下界，从而获取安全的源无关的可提取真随机数比例，并依次进行随机数提取。具体步骤如下：1.按图1所示硬件框架示意图将系统搭建随机数发生器系统，激光器输出连续线偏光，并通过光开关切换选择接入光路1或者光路2，其中，光路1上不接其他器件，光路2接有无源相移器，两个光路的总长度相同；光路1和光路2的输出端通过50:50耦合器后，耦合器的两个输出端接入平衡零拍探测器的两个输入端，其中平衡零拍探测器的带宽为500MHz；采样率为1Gbps的数据采集卡进行采样。2.由于系统掌握光开关切换的规律，系统可知当次测量结果对应的是光路1的探测结果还是光路2的探测结果，记接通光路1时探测结果为A1，接通光路2时探测结果为A2。当接通光路1时，将该时间段的探测结果A1用于最大熵计算，FPGA通过调用参量为1/2的Re′nyi熵公式直接计算可得当接通光路2时，将该时间段的探测结果A2用于可提取随机数比率计算和作为原始数据进行真随机数提取，其中可提取真随机数比率的计算用到上一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，其特征在于，包括：步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ；步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。上述步骤按照顺序依次进行。

【技术特征摘要】
1.一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，其特征在于，包括：步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ；步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。上述步骤按照顺序依次进行。2.根据权利要求1所述的一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：步骤1a：激光源制备线偏振光，通过保偏光纤接入相位监控模块中进行相位监控；步骤1b：记前一时刻相位为θ1，下一时刻由于相位偏移，将产生Δθ＝θ2-θ1大小的相位差；将监控时间信息和相位信息传送给数据处理单元。3.根据权利要求1所述的一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：步骤2a：上述输出光经监控之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，其中激光输出光作为本征光，悬空一端实际引入的是真空态噪声；步骤2b：利用平衡零拍探测器对耦合器输出的光信号进行检测，并使...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻松，郑子勇，张一辰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11