源无关高维时间编码的量子随机数发生器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，包括相互匹配的发送模块和接收模块，所述发送模块采用高维时间编码方式输出编码后光脉冲组，所述接收模块接收所述编码后光脉冲组分别进行X基矢和Z基矢测量，再经后处理获得相应的量子随机数。本实用新型专利技术量子随机数发生器，采用高维编码的方式提升源无关随机数发生器的输出速率。

Quantum Random Number Generator with Source Independent High Dimensional Time Coding

The utility model discloses a source-independent high-dimensional time-coded quantum random number generator, which comprises a matching sending module and a receiving module. The transmitting module uses a high-dimensional time-coded mode to output coded optical pulse groups, and the receiving module receives the coded optical pulse groups for X-vector and Z-vector measurements, respectively. Quantum random numbers are obtained by post-processing. The quantum random number generator of the utility model adopts a high-dimensional encoding method to enhance the output rate of the source-independent random number generator.

【技术实现步骤摘要】
源无关高维时间编码的量子随机数发生器
本技术涉及量子通信
，尤其涉及一种量子随机数发生器。
技术介绍
随机数作为一种资源，在许多领域内都具有重要作用。科学模拟计算，密钥系统，身份认证等均离不开随机数。尤其是在安全相关的领域内，随机性是系统安全性的根基，真随机数的采用将明显提升系统的安全性。因此在任何安全相关的应用领域内，迫切的需求真随机数。同时在新兴的量子通信领域，随机数同样是不可或缺的；在量子密钥分发系统中，需要大量的真随机数。量子随机数发生器的诞生解决了高速生成真随机数的难题。量子随机数发生器基于量子力学基本原理，而量子力学的一个显著特征是其内在包含随机性，因此量子随机数发生器是一种真随机数发生器。作为一种硬件随机数发生器，量子随机数发生器由多个部分组成，保证每个部分均安全可靠的工作才能使其输出可靠的随机数，任何安全漏洞均可能导致随机数被攻击者窃取而使整个安全系统被突破。同时实际器件存在各种缺陷，因此从量子态的制备到测量均会存在和理论描述的偏差，必须严格检测各个器件以量化此类缺陷，忽视任何缺陷可能导致过高估计最终的随机数生成速率从而使发生器存在安全漏洞。对量子随机数发生器的所有器件进行及时检测和监控不但在实际操作上难以进行，同时也会大大增加系统的复杂度，因此通过引入新的机制来减少需要检测和监控的硬件是一种更实际更合理的方式。源无关的随机数发生器随即被提出，在此类发生器中光源无需可靠，即光源可以被攻击者操控，从而使得光源发出的量子态并非预先设定制备的量子态；此外由于器件本身并非完美，即使没有外界的操控，现有光源制备的量子态也和所需量子态存在偏差。源无关量子随机数发生器免除了对光源进行监控的必要，同时也考虑了实际光源存在的缺陷，因此是一种更安全更实用的量子随机数发生器。现有源无关量子随机数发生器的输出速率还不是很高，为了进一步提升速率，高维编码是一种简单可靠的方式。高维编码的形式也多种多样，而主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态可以用如下公式来描述其中|fn>和|tm>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|tn>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据上述公式不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t0>和|f0>的时间编码形式，且对于|f0>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。
技术实现思路
本技术提供一种量子随机数发生器，采用高维编码的方式提升源无关随机数发生器的输出速率。一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，包括采用高维时间编码方式获得并输出编码后光脉冲组的发送模块以及接收所述编码后光脉冲组的接收模块，所述接收模块包括：测量选择装置，用于将来自发送模块的编码后光脉冲组随机输入X或Z基矢测量装置；X基矢测量装置，用于接收测量选择装置的其中一路输出并进行X基矢测量；Z基矢测量装置，用于接收测量选择装置的另外一路输出并进行Z基矢测量；后处理装置，用于接收X基矢测量装置以及Z基矢测量装置的测量结果并提取输出相应的量子随机数。本技术在发送模块中采用高维时间编码方式，就编码原理本身而言可采用现有技术，本技术将其与源无关随机数发生器相结合，进一步还对发送模块和接收模块进行了优化和改进。作为优选，所述发送模块采用相位调制光源，在该相位调制光源中以内调制的方式进行X基矢调制，获得所述编码后光脉冲组。作为优选，所述相位调制光源包括相位准备激光器和脉冲产生激光器，发送模块中还设有光纤环形器以及衰减器；所述相位准备激光器产生的长脉冲输入光纤环形器的第一端口并经过光纤环形器的第二端口进入脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器产生的编码后光脉冲组输入光纤环形器的第二端口并经过光纤环形器的第三端口输出至衰减器，衰减器将编码后光脉冲组强度衰减至最优值后输出至接收模块。作为优选，所述发送模块包括沿光路依次布置的：激光器，用于发出连续光脉冲；强度调制器，对所述连续光脉冲进行强度调制后输出短脉冲序列；相位调制器，用于对所述短脉冲序列中连续d个短脉冲构成的脉冲组进行相位调制输出所述编码后光脉冲组，以完成X基矢调制，其中d为编码维度；衰减器，用于将编码后光脉冲组强度衰减至最优值。该最优值能使最终输出最多的量子随机数。相位调制器作为X基矢调制装置既可以单独配置即外置的方式实施，也可以通过选用注入式光源，实现X基矢的内调制。作为优选，所述测量选择装置采用光开关，该光开关接入并受控于所述后处理装置。采用光开关即进行主动测量，光开关在测量选择装置(例如FPGA)中预置随机数的控制下随机将入射的编码后光脉冲组输入X或Z基矢测量装置。作为优选，所述测量选择装置采用非平衡分束器。采用非平衡分束器即进行被动测量；非平衡分束器输出的两路中一路进入Z基矢测量装置，另一路进入X基矢测量装置，无需额外随机数进行测量装置选择。作为优选，所述Z基矢测量模块为一个单光子探测器；作为优选，所述Z基矢测量模块包括d个单光子探测器，和一个1：d的光纤耦合器，d为编码维度，光纤耦合器将入射光脉冲均分为d路并输入相应的单光子探测器。作为优选，所述X基矢测量装置包括干涉模块以及数量与编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应干涉结果。X基矢测量模块中单光子探测器的数量与光脉冲编码维度相应，例如编码维度为d，则需d个单光子探测器。X基矢测量模块中可根据单光子探测器的数量即编码维度设置适宜数量的干涉单元，每发生一次干涉就会获得两路输出，针对每一路如果再设置一干涉单元即再发生一次干涉，就会获得更多的输出，以此类推直至与单光子探测器的数量匹配。作为优选，所述干涉模块包括一个或多个干涉单元，每个干涉单元中包括两分束器以及延时线；入射至各干涉单元的编码后光脉冲组经由第一分束器后分为两路，其中一路经延时线后与另一路在第二分束器发生干涉并输出。作为优选，所述干涉模块包括一个或多个干涉单元，每个干涉单元中包括分束器、延时线以及两个法拉第旋转镜；入射至各干涉单元的编码后光脉冲组经由分束器后分为两路，其中一路进入一法拉第旋转镜，另一路经延时线后进入另一法拉第旋转镜；再分别由对应的法拉第旋转镜反射后沿各自的原路径返回分束器发生干涉并输出。本技术中每一干涉单元采用不等臂结构，其中通过设置法拉第旋转镜可解决偏振漂移问题。作为优选，光脉冲编码维度为4。作为优选，所述干涉单元逐级分布，前一级干涉单元输出两路干涉信号，后一级干涉单元每两个为一组，分别接收前一级干涉单元输出的两路干涉信号；X基矢探测模块中的各单光子探测器分别接收最末级干涉单元的输出。作为优选，干涉模块包括：第一干涉单元，进入X基矢测量模块的编码后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，包括采用高维时间编码方式获得并输出编码后光脉冲组的发送模块以及接收所述编码后光脉冲组的接收模块，所述接收模块包括：测量选择装置，用于将来自发送模块的编码后光脉冲组随机输入X或Z基矢测量装置；X基矢测量装置，用于接收测量选择装置的其中一路输出并进行X基矢测量；Z基矢测量装置，用于接收测量选择装置的另外一路输出并进行Z基矢测量；后处理装置，用于接收X基矢测量装置以及Z基矢测量装置的测量结果并提取输出相应的量子随机数。

【技术特征摘要】
1.一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，包括采用高维时间编码方式获得并输出编码后光脉冲组的发送模块以及接收所述编码后光脉冲组的接收模块，所述接收模块包括：测量选择装置，用于将来自发送模块的编码后光脉冲组随机输入X或Z基矢测量装置；X基矢测量装置，用于接收测量选择装置的其中一路输出并进行X基矢测量；Z基矢测量装置，用于接收测量选择装置的另外一路输出并进行Z基矢测量；后处理装置，用于接收X基矢测量装置以及Z基矢测量装置的测量结果并提取输出相应的量子随机数。2.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述发送模块采用相位调制光源，在该相位调制光源中以内调制的方式进行X基矢调制，获得所述编码后光脉冲组。3.如权利要求2所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述相位调制光源包括相位准备激光器和脉冲产生激光器，发送模块中还设有光纤环形器以及衰减器；所述相位准备激光器产生的长脉冲输入光纤环形器的第一端口并经过光纤环形器的第二端口进入脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器产生的编码后光脉冲组输入光纤环形器的第二端口并经过光纤环形器的第三端口输出至衰减器，衰减器将编码后光脉冲组强度衰减至最优值后输出至接收模块。4.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述发送模块包括沿光路依次布置的：激光器，发出连续光脉冲；强度调制器，对所述连续光脉冲进行强度调制后输出短脉冲序列；相位调制器，用于对所述短脉冲序列中连续d个短脉冲构成的脉冲组进行相位调制输出所述编码后光脉冲组，以完成X基矢调制，其中d为编码维度；衰减器，用于将编码后光脉冲组强度衰减至最优值。5.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述测量选择装置采用光开关，该光开关接入并受控于所述后处理装置。6.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述测量选择装置采用非平衡分束器。7.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，所述X基矢测量装置包括干涉模块以及数量与编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应干涉结果。8.如权利要求1所述的源无关高维时间编码的量子随机数发生器，其特征在于，干涉模块包括一个或多个干涉单元，每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，朱伟，
申请(专利权)人：如般量子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33