基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法技术

一种基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法,采用匹配波长的LED作为光源，通过四象限探测器对角像元并接的方法，提取两路光电流信号，实现双路平衡零差探测；两个对称的前置运算放大器进对两路电流信号分别进行全差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。经处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列。集成度高，提高了信号质量，降低了产品成本；光电流信号经IV转换、反相放大、全差分处理，经高频调制解调、FIR滤波、消直流、分布处理后产生高质量的量子随机数序列。省去分束镜、光纤等设备，结构更加的简单。

【技术实现步骤摘要】
基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法
本专利技术涉及IPC分类G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术，属于密码学领域，尤其是基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法。
技术介绍
真空量子随机数，是指利用真空态涨落的量子化不确定性，对其进行采集、放大和输出，产生随机数据流。而光电探测器的散粒噪声(shotnoise)则即是反映了光量子的涨落，因此在技术实现上可以通过提取光电探测器的散粒噪声、放大、鉴别输出实现。平衡零差探测提取散粒噪声的原理通常将1束光等分成2路并分别入射到2个全同的光电探测器上，然后将两路光电流差分，并将差分后的信号进行放大，以提取散粒噪声电流。经典电子学或光学中，散粒噪声指的是实验观测中的读出噪声。当被观测的粒子数量少到一定程度时，能引发观测数据的统计涨落，其概率符合Poisson分布。量子光学中的真空散粒噪声机制与经典光学中并不相同，其实质是由于真空涨落引发的观测数据的统计涨落。真空量子随机数发生器的系统原理如附图1所示。相关
已公开专利文献较少。上海交通大学在中国专利申请CN103793198A中提供了一种基于放大真空态的量子随机数发生器，包括：光路模块和电路模块；其中，所述光路模块的输出端连接所述电路模块的输入端。所述光路模块包括激光器、分束器、平衡零差检测器、真空态发生器以及光放大器；其中，所述真空态发生器的输出端连接所述光放大器的输入端；所述光放大器的输出端与所述分束器的一个输入端相连；所述激光器的输出端连接所述分束器的另一个输入端；所述分束器的输出端连接所述平衡零差检测器的输入端。通过测量放大后的真空态产生量子随机数并且采用伪噪声码和原始比特异或方式进行去偏差处理，从而产生更高速率，随机性更好的真随机数。清华大学在中国专利申请201611232731.4中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，进行放大，得到最终的随机数。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。中国科学技术大学在中国专利申请CN104216678A中公开一种无偏真随机数发生器，包括APD模块、雪崩信号甄别整形放大模块、时间数字转换模块和编码器模块，通过对所述APD模块产生的电子学脉冲进行编码，生成随机序列。以及一种无偏真随机数的生成方法以及一种无偏真随机数发生器芯片。生成的随机数序列无需通过复杂的后处理过程即可通过随机统计检测。装置和方法具有很高的集成度，可以采用集成电路工艺封装成为芯片级器件。无需光源即可工作，也可以通过光纤或自由空间耦合外部光源产生的光量子调节随机数的生成效率。因此，对于环境具有良好的兼容性，无需低温、严密遮光等特殊工作条件即可正常工作。在光电探测系统中广为使用的多元非成像光电探测器多为四象限光电探测器件。四象限光电探测器采用分立光学器件结合电子学信号处理的方式实现，是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。它包括硅光电池以及四象限光电二极管，如四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。四象限光电探测器信号处理系统主要采用以峰值检测电路和峰值保持电路为核心的脉冲信号展宽及采集方式进行工作，在目标指示器脉冲激光的照射下，四象限光电探测器输出窄脉冲电信号，窄脉冲电信号经过前置放大和滤波以满足数据采集的幅度和信噪比要求。峰值保持电路对窄脉冲电信号进行展宽，以减轻模数转换器的带宽限制。峰值检测电路的作用是检测窄脉冲电信号的峰值，为模数转换器提供准确的峰值采样时刻。信号处理单元接收到模数转换器输出的脉冲信号幅值数字量后控制放电电路对峰值保持电路中的储能电容进行放电，然后对脉冲信号幅值数字量进行计算和处理，得到光斑中心位置信息并输出至上位机控制系统。由于峰值保持电路采用跨导放大器对储能电容进行充电来暂存窄脉冲电信号峰值以展宽脉冲宽度，所以储能电容成为影响系统性能的关键部件。虽然如此，但由于储能电容的电荷泄漏以及分立电容参数的不一致性，导致采集到的激光脉冲信号失真，降低了系统精度。此外，由于分立电容参数随温度变化的特性存在较大的个体差异性，导致四个通道的激光脉冲信号处理增益不一致，光斑中心位置测量精度易受环境温度影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法。根据本专利技术的量子随机数发生方法，实现该方法的装置中包括：LED光源、四象限光电探测器、前置运算放大器、全差分放大器、乘法器、低通滤波器、ADC模数转换器和FPGA芯片，其中，LED光源正对安装四象限光电探测器，由四象限光电探测器连接两个对称的前置运算放大器，该两个对称的前置运算放大器通过全差分放大器连接乘法器，然后，进一步的依次连接低通滤波器、ADC模数转换器后通过FPGA芯片连接QRNG序列；LED光源产生光量子，四象限光电探测器接收光量子并转换成电流信号，两个对称的前置运算放大器把电流信号转换成电压信号然后提取高频信号并放大，全差分放大器将两路信号做差分并去除共模干扰，乘法器采用高频正弦信号对前述信号进行调制，低通滤波器把调制后的信号进行解调，ADC模数转换器采集前述信号，QRNG序列完成信号输出；所述FPGA芯片，包含FIR滤波器、消直流模块和分布处理模块；对前述信号进行后处理得到量子随机序列。所述LED光源工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。所述LED光源发出中心波长为870nm波段的光，耦合到四象限光电探测器上，通过四象限光电探测器对角像元并接的方法，得到两路电流信号，此时要调整LED灯照射的角度，使得两路信号的光电流相等。所述四象限光电探测器上包括辐射状依次均匀分布的A、B、C、D四个象元，四象限光电探测器做对角象元AC、BD分别做并接处理，以便在提取两路光电流信号时，降低对四个像元一致性要求，而且在光源与探测器安装中心点略有偏差时提高输出信号的均一性，使得两路信号的光电流相等。所述经FPGA芯片处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，且信号落在高斯分布两侧的概率相同且独立，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列，最后输出得到的真随机序列。所述两个对称的前置运算放大器进对两路电流信号分别进行IV转换得到电压信号，此时信号中既有电路噪声和经典光噪声，也有量子噪声，其中电路噪声和经典光噪声主要是低频信号，量子噪声主要是高频信号，经高通滤波器提取高频信号，把提取到的信号分别进行放大，然后，放大后的该两路信号经全差分放大器进行差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。所述进入FPGA中的FIR滤波器量子噪声信号，先经过一个100阶FIR低通滤波器，然后，消直流模块经FIR滤波器处理后的量子噪声减去量子噪声信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法,其特征在于，LED光源发出光量子，由四象限光电探测器接收光量子并转换成电流信号，信号经IV转换、反相放大、全差分后与一个高频正弦信号相乘，再经低通滤波完成信号的调制解调；再通过ADC完成采样送至FPGA，由FPGA完成FIR滤波、消直流、分布处理后产生量子随机数；实现该方法的装置中包括：LED光源、四象限光电探测器、前置运算放大器、全差分放大器、乘法器、低通滤波器、ADC模数转换器和FPGA芯片，其中，LED光源正对安装四象限光电探测器，由四象限光电探测器连接两个对称的前置运算放大器，该两个对称的前置运算放大器通过全差分放大器连接乘法器，然后，进一步的依次连接低通滤波器、ADC模数转换器后通过FPGA芯片连接QRNG序列；LED光源产生光量子，四象限光电探测器接收光量子并转换成电流信号，两个对称的前置运算放大器把电流信号转换成电压信号然后提取高频信号并放大，全差分放大器将两路信号做差分并去除共模干扰，乘法器采用高频正弦信号对前述信号进行调制，低通滤波器把调制后的信号进行解调，ADC模数转换器采集前述信号，QRNG序列完成信号输出；所述FPGA芯片，包含FIR滤波器、消直流模块和分布处理模块；对前述信号进行后处理得到量子随机序列。...

【技术特征摘要】
1.基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法,其特征在于，LED光源发出光量子，由四象限光电探测器接收光量子并转换成电流信号，信号经IV转换、反相放大、全差分后与一个高频正弦信号相乘，再经低通滤波完成信号的调制解调；再通过ADC完成采样送至FPGA，由FPGA完成FIR滤波、消直流、分布处理后产生量子随机数；实现该方法的装置中包括：LED光源、四象限光电探测器、前置运算放大器、全差分放大器、乘法器、低通滤波器、ADC模数转换器和FPGA芯片，其中，LED光源正对安装四象限光电探测器，由四象限光电探测器连接两个对称的前置运算放大器，该两个对称的前置运算放大器通过全差分放大器连接乘法器，然后，进一步的依次连接低通滤波器、ADC模数转换器后通过FPGA芯片连接QRNG序列；LED光源产生光量子，四象限光电探测器接收光量子并转换成电流信号，两个对称的前置运算放大器把电流信号转换成电压信号然后提取高频信号并放大，全差分放大器将两路信号做差分并去除共模干扰，乘法器采用高频正弦信号对前述信号进行调制，低通滤波器把调制后的信号进行解调，ADC模数转换器采集前述信号，QRNG序列完成信号输出；所述FPGA芯片，包含FIR滤波器、消直流模块和分布处理模块；对前述信号进行后处理得到量子随机序列。2.如权利要求1所述的基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法，其特征在于，LED光源工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。3.如权利要求1所述的基于光量子四象限探测全差分均衡随机数发生方法，其特征在于，LED光源发出中心波长为870nm波段的光，耦合到四象限光电探测器上，通过四象限光电探测器对角像元并接的方法，得到两路电流信号，此时要调整LED灯照射的角度，使得两路信号的光电流相等。4.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏从俊，夏跃峰，李在光，
申请(专利权)人：弦海上海量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31