基于光子数量探测的随机数生成系统及方法技术方案

本申请提供了一种基于光子数量探测的随机数生成系统和方法，能够实现对激光脉冲中光子数量的检测，再进一步根据检测到的光子数量生成随机数序列，随机数序列无需处理可直接通过随机数测试，不易受到多种干扰的影响，随机特性能够得到较好的保证。

Random Number Generation System and Method Based on Photon Quantity Detection

This application provides a random number generation system based on photon number detection, which can detect the number of photons in laser pulses, and then generate random number sequence according to the number of photons detected. The random number sequence can pass the random number test directly without processing, and is not easily affected by many kinds of interference. The random characteristics can be better guaranteed.

【技术实现步骤摘要】
基于光子数量探测的随机数生成系统及方法
本申请涉及光电处理领域，尤其涉及一种基于光子数量探测的随机数生成系统及方法。
技术介绍
随机数是专门的随机试验的结果，由于其随机性、不确定性而广泛的应用于信息安全、密码加密、电子商务、通信、博彩和游戏设计中。能够生成随机数的设备叫做随机数发生器。随机数发生器包括伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器是计算机通过一系列算法生成的，但是伪随机数只是尽可能的接近其应有的随机性，所以一定程度上，伪随机数可以通过更强大的计算能力而变得可预测，而真正意义上的随机数对于计算机来说是不可能直接模拟出来的。真随机数发生器一般是基于物理过程例如光电效应、热力学噪声和量子现象，通过将物理过程中某些结果或者物理量转换为电信号，经过处理后输出数字，通常为二进制0和1，从而产生一系列的真随机数。相干光中的光子符合泊松分布，通过光子探测器对其进行探测这一量子物理过程，可将探测结果转换成真随机数。光子探测器因为能够在单光子级别的能量上进行探测，所以保密性具有先天优势，而单光子探测速度越快，实际应用时传输信息就越快。目前已存在基于单个光子的真随机数发生器，但是由于各种应用的要求，使用环境和使用的器件的物理参数的不同，导致基于单个光子的真随机数容易受到各种各样的干扰，从而可能影响随机数的产生，进而影响其随机特性，同时，单光子探测器的运行速度也一定程度上限制了随机数的生成速率。另外，由于单光子探测器只能分辨出有无光子，由随机数生成原理可知，前后两个脉冲中光子数相同则要抛弃掉，因而单光子探测器要抛弃很多数据导致随机数生成速度受到限制。由于光子的高速运动，对光子数量的探测也是光子探测领域的难点问题，不仅会因为暗计数、后脉冲等问题造成较大错误的探测计数，还会因为探测器本身存在的死时间和时间抖动，其它众多因素都会造成光子数量检测的较大误差，从而导致难以准确实现光子的数量检测。申请内容本申请的一个目的是提供一种基于光子数量探测的随机数生成系统及方法，用以解决现有随机数生成方法的随机特效容易受到影响的问题。为实现上述目的，本申请提供了一种基于光子数量探测的随机数生成系统，其中，该系统包括：光源装置，用于产生激光脉冲并调节激光脉冲的频率和功率；分束装置，用于对激光脉冲进行分束，产生多路激光脉冲；探测装置，包括雪崩光电二极管和雪崩信号处理电路，用于根据探测到的激光脉冲中的光子产生雪崩信号，并对雪崩信号进行滤波、提取和整形处理，所述雪崩光电二极管的电压由门脉冲和直流偏置电压共同提供；信号合成装置，用于对多路处理后的雪崩信号进行合并；随机数生成装置，用于根据合并后的雪崩信号识别出光子数量并根据所述光子数量生成随机数。进一步地，所述光源装置包括激光器和可调衰减器，所述激光器用于产生激光脉冲，所述可调衰减器用于调节激光脉冲的频率和功率。进一步地，所述信号合成装置为功率分配器。进一步地，所述功率分配器的分配比为1：1。进一步地，所述分束装置包括光纤和光纤分束器，所述光纤用于传输激光脉冲，所述光纤分束器用于对激光脉冲进行分束。进一步地，所述光纤分束器的分束比为1：1。基于本申请的另一方面，本申请还提供了一种随机数生成方法，其中，该方法采用了包括光源装置、分束装置、探测装置、信号合成装置和随机数生成装置的系统，所述方法包括：光源装置产生激光脉冲，并将所述激光脉冲输出到分束装置；分束装置将所述激光脉冲分解为多路激光脉冲输出到探测装置；探测装置根据探测到的激光脉冲中的光子产生雪崩信号，并将处理后的雪崩信号输出到信号合成装置；信号合成装置将多路处理后的雪崩信号合并，将合并后的雪崩信号输出到随机数生成装置；随机数生成装置根据合并后的雪崩信号识别出光子数量并根据所述光子数量生成随机数。进一步地，在生成随机数之前，还包括：对光源装置产生的激光脉冲进行标定。进一步地，所述光源装置包括激光器和可调衰减器；对光源装置产生的激光脉冲进行标定，包括：通过所述可调衰减器调节所述激光器的功率到单光子量级；所述激光器生成并发送激光脉冲，所述激光脉冲经过可调衰减器、分束装置到达探测装置；探测装置根据激光脉冲生成雪崩信号并将所述雪崩信号输出到信号合成装置；根据信号合成装置输出的合并后雪崩信号的幅值，调节直流偏置电压使得多个探测装置中雪崩光电二极管的探测效率相同且保持不变。与现有技术相比，本申请提供的方案能够实现对激光脉冲中光子数量的检测，再进一步根据检测到的光子数量生成随机数序列，随机数序列无需处理可直接通过随机数测试，不易受到多种干扰的影响，随机特性能够得到较好的保证。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本申请实施例提供的一种基于光子数量探测的随机数生成系统的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种随机数生成方法的流程图；图3为本申请实施例提供的一种优选的基于光子数量探测的随机数生成系统的结构示意图。图4为本申请实施例提供的一种优选的根据光子数量生成二进制随机数序列的示意图。附图标记：1、光源装置，2、分束装置，3、探测装置，4、信号合成装置，5、随机数生成装置，31、雪崩光电二极管，32、雪崩信号处理电路。具体实施方式下面结合附图对本申请作进一步详细描述。在本申请一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)。内存是计算机可读介质的示例。计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。图1示出了本申请实施例提供的一种基于光子数量探测的随机数生成系统，其中，该系统包括光源装置、分束装置、探测装置、信号合成装置和随机数生成装置。光源装置，用于产生激光脉冲并调节激光脉冲的频率和功率；分束装置，用于对激光脉冲进行分束，产生多路激光脉冲；探测装置，包括雪崩光电二极管和雪崩信号处理电路，用于根据探测到的激光脉冲中的光子产生雪崩信号，并对雪崩信号进行滤波、提取和整形处理，所述雪崩光电二极管的电压由门脉冲和直流偏置电压共同提供；信号合成装置，用于对多路处理后的雪崩信号进行合并；随机数生成装置，用于根据合并后的雪崩信号识别出光子数量并根据所述光子数量生成随机数。本申请的实施例中，光源装置可包括激光器和可调衰减器，激光器用于产生激光脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光子数量探测的随机数生成系统，其中，该系统包括：光源装置，用于产生激光脉冲并调节激光脉冲的频率和功率；分束装置，用于对激光脉冲进行分束，产生多路激光脉冲；探测装置，包括雪崩光电二极管和雪崩信号处理电路，用于根据探测到的激光脉冲中的光子产生雪崩信号，并对雪崩信号进行滤波、提取和整形处理，所述雪崩光电二极管的电压由门脉冲和直流偏置电压共同提供；信号合成装置，用于对多路处理后的雪崩信号进行合并；随机数生成装置，用于根据合并后的雪崩信号识别出光子数量并根据所述光子数量生成随机数。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子数量探测的随机数生成系统，其中，该系统包括：光源装置，用于产生激光脉冲并调节激光脉冲的频率和功率；分束装置，用于对激光脉冲进行分束，产生多路激光脉冲；探测装置，包括雪崩光电二极管和雪崩信号处理电路，用于根据探测到的激光脉冲中的光子产生雪崩信号，并对雪崩信号进行滤波、提取和整形处理，所述雪崩光电二极管的电压由门脉冲和直流偏置电压共同提供；信号合成装置，用于对多路处理后的雪崩信号进行合并；随机数生成装置，用于根据合并后的雪崩信号识别出光子数量并根据所述光子数量生成随机数。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源装置包括激光器和可调衰减器，所述激光器用于产生激光脉冲，所述可调衰减器用于调节激光脉冲的频率和功率。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信号合成装置为功率分配器。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述功率分配器的分配比为1：1。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分束装置包括光纤和光纤分束器，所述光纤用于传输激光脉冲，所述光纤分束器用于对激光脉冲进行分束。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光纤分束器的分束比为1：1。7.一种随机数生成方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁焰，费起来，刘志鹤，曾和平，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31