一种量子随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种量子随机数发生器。其中，光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口2经光延时部件1、光开关部件2与光合束部件的输入端口2连接；光分束部件的输出端口3经光延时部件2、光开关部件3与光合束部件的输入端口3连接；以此类推，光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；光合束部件的光信号输出端与光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。通过控制光开关部件的工作时序可分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，可以提高最大采样速率，并保证提取的随机数具有最大可能的熵值。

A Quantum Random Number Generator

The invention discloses a quantum random number generator. Among them, the beam splitter has n output ports, the photosynthetic beam component has n input ports, the output port of the beam splitter component 1 is connected with the input port 1 of the photonic beam component through the optical switch component 1, the output port 2 of the beam splitter component is connected with the input port 2 of the photonic beam component through the optical delay component 1 and the optical switch component 2, and the output port 3 of the beam splitter component is connected with the input port 2 of the photonic beam component through the optical delay component 2 and the optical opening. The shutdown Part 3 is connected with the input port 3 of the photosynthetic beam component; by analogy, the delay difference between any two input beams of the photosynthetic beam component is greater than the coherent time of the light source; the output end of the photosynthetic beam component is connected with the input end of the optical signal of the optical detection component; where n is greater than 3. By controlling the timing of the optical switch components, the optical fields with different delay differences can be interfered time-sharing, which can improve the maximum sampling rate and ensure that the random number extracted has the maximum possible entropy value.

【技术实现步骤摘要】
一种量子随机数发生器
本专利技术涉及随机数发生装置
，尤其涉及一种量子随机数发生器。
技术介绍
随着信息量井喷式的增长，信息安全开始日益受到人们的重视。随机数在信息加密过程中，具有不可替代的作用。而基于光源相位噪声的量子随机数发生器由于其内禀的量子随机特性，可以实现真随机数的产生，从而保证信息传递的绝对安全。基于光源相位噪声的量子随机数发生器(QRNG)中一般要采用干涉仪结构将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，因此，光源自身的相干性会影响随机数产生器的性能。光源的时间相干性是指：只有延时差在一定范围内的光波才具有相对固定的位相差，从而可以发生稳定的干涉，这一时间范围称为相干时间。从统计学角度上看，可以认为延时差小于相干时间的两束光具有关联性，即彼此不独立。取极限情况，当两束光的延时差等于零时，则其相位完全相同，此时的相关系数为“1”。随着两束光延时差的增加，其相关系数逐渐减小。当延时差远大于相干时间时，则可以认为这两束光是彼此独立的，这时通过干涉提取的幅度噪声分布近似为均匀分布，所产生的随机数具有最大可能的熵值(均匀分布的随机数具有最大的无序性)。在目前的基于光源相位噪声的QRNG方案中，大多通过提升采样速率(即减小采样间隔)来实现高速率随机数的产生，而该方法带来的潜在问题是，减小采样间隔实际上相当于等效地减小了参与干涉的两束光的延时差，使得发生干涉的光束之间的相关性增加，这会带来三个方面的不利影响，1)减小了转换所得幅度噪声的动态范围，这对后续的量化过程是非常不利的；2)提取的数据概率分布变为高斯分布，减小了产生的随机数的熵值；3)干涉仪必须增加反馈控制以避免环境因素造成的偏置点的随机漂移。因此，考虑到光源相干时间的上述限制，产生真随机数所要求的最大采样速率受限于光源的相干时间，即：其中，vs，max为最大采样速率；Ts,min为最小采样间隔；τc为光源的相干时间。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种量子随机数发生器，实现了最大采样速率不受光源相干时间限制的技术效果。本专利技术提供了一种量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。进一步地，还包括：模数转换部件；所述模数转换部件的电信号输入端与所述光探测部件的电信号输出端电性连接。进一步地，还包括：发光部件；所述发光部件的光信号输出端与所述光分束部件的光信号输入端连接。进一步地，所述发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。进一步地，所述光延时部件为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器。进一步地，所述光开关部件为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关，开关时间达到纳秒量级。进一步地，所述光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关部件来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关部件处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本专利技术中参与干涉的两束光的相关性小，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。另一方面，得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本专利技术相比于现有的有效延时差较小的方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本专利技术中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的随机性为代价。因此，本专利技术的最大采样速率不受光源相干时间的限制。附图说明图1是本专利技术实施例提供的量子随机数发生器的结构示意图。图2是本专利技术方案与普通双路干涉方案原理的对比示意图。图3是本专利技术实施例提供的量子随机数发生器中减小相邻采样点数据的相关性的原理示意图。图4是基于本专利技术实施例提供的量子随机数发生器的三支路干涉结构的光量子随机数发生器的结构示意图。图5是图4的实施例中一个工作周期内各个光开关的控制时序图以及与其对应的干涉时间窗口图。图6是图4的实施例中各个采样点对应的参与干涉的场点以及关键时间参数与光源相干时间、光开关导通时间的关系图。具体实施方式本专利技术通过提供一种量子随机数发生器，实现了最大采样速率不受光源相干时间限制的技术效果。本专利技术中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关部件来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关部件处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本专利技术中参与干涉的两束光的相关性小，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。另一方面，得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本专利技术相比于现有的有效延时差较小的方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本专利技术中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的随机性为代价。因此，本专利技术的最大采样速率不受光源相干时间的限制。为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。参见图1，本专利技术提供的量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：光分束部件、光延时部件1～n‑1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。

【技术特征摘要】
1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。2.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，还包括：模数转换部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪伟，刘威，周金荣，费礼，陈思井，彭汉，文柯，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉船舶通信研究所中国船舶重工集团公司第七二二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42