一种多波长并行光量子随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种多波长并行光量子随机数发生器。多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本发明专利技术利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。

A Multi-wavelength Parallel Optical Quantum Random Number Generator

【技术实现步骤摘要】
一种多波长并行光量子随机数发生器
本专利技术涉及随机数发生装置
，尤其涉及一种多波长并行光量子随机数发生器。
技术介绍
随着信息量井喷式增长，信息安全开始日益受到各行各业的重视。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，从而保证了信息传递的安全。另外，真随机数在人工智能的发展中也起着重要作用，特别是在深度学习的模型训练过程中，需要引入真随机数以确保训练后模型的最终准确性。由于光的相位是不能被光探测器直接探测的，因此基于光源相位噪声的量子随机数发生器通常需要借助于干涉仪结构将相位变化转变为振幅变化。然后由光电探测器将光信号转换为电信号，再经采样和模数转换后得到随机数。其中，干涉仪结构的作用是将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，其中不同传输通路的延时差决定了提取相位噪声的时间窗口，它与光源的相干时间、光电探测器的响应时间以及采样时间间隔的相对大小关系，对产生随机数的随机性有着至关重要的影响。根据文献[Qi,B.,etal."High-speedquantumrandomnumbergenerationbymeasuringphasenoiseofasingle-modelaser."OpticsLetters35.3(2010):312-314.]表明，理想情况下应满足：Ts≥Δt≥τc≥Tr(1)其中，Ts为采样间隔，其倒数即为采样速率；Δt为干涉仪两臂的延时差；τc为光源的相干时间；Tr为光电探测器的响应时间。上式(1)表明理想情况下的采样速率是存在一个上限的。尽管可以通过提高采样速率来提高随机数的产生速率，但是实际上单方面提高采样速率会有两个方面的不利影响：一是当采样时间间隔小于干涉仪的延时差时，提高采样速率(减小采样时间间隔)实际上等效于减小干涉仪的延迟差，从而使得转换所得的幅度噪声的方差(功率)减小，产生数据的熵值将会下降；二是随着采样速率的增加，随机数样本的短程相关性增加，而在随机数评价中，相关系数越接近于零，则认为所产生随机数的随机性越好，因此，通常需要进行后处理减小这种相关性。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种多波长并行光量子随机数发生器，解决了现有技术中单方面提高采样速率带来的随机数熵值下降和短程相关性增加的技术问题，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。本专利技术提供了一种多波长并行光量子随机数发生器，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，所述多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；所述宽谱光源的光输出端与所述梳状滤波器的光输入端相连，所述梳状滤波器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，所述多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；所述各单波长激光器的输出光束射入所述光耦合器，所述光耦合器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，所述多波长光源为多波长同时激射的单个激光器；所述各激光器的输出光束与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，还包括：跨阻放大器；所述跨阻放大器的电信号输入端与所述光电探测器的电信号输出端连接，所述跨阻放大器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，还包括：低通滤波器；所述低通滤波器的电信号输入端与所述跨阻放大器的电信号输出端连接，所述低通滤波器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，所述光电探测器的数量至少为2；所述模数转换器的数量也至少为2；所述各光电探测器的光输入端一一对应地分别与所述解复用器的各光输出端连接，所述各光电探测器的电信号输出端一一对应地分别与所述各模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，还包括：至少两个开关部件；所述各开关部件一一对应地分别设置在所述解复用器的各光输出端。进一步地，所述干涉仪是马赫-泽德干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、迈克逊干涉仪或环形腔耦合干涉仪。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：将多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本专利技术利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。附图说明图1是法布里-珀罗干涉仪透射谱的仿真结果示意图；图2是马赫-泽德干涉仪透射谱的仿真结果示意图；图3是本专利技术提供的多波长并行光量子随机数发生器的结构示意图；图4是实施例I中的三波长并行量子随机数发生器的结构示意图；图5是实施例II中的结合开关部件的多波长并行分时隙接收量子随机数发生器的结构示意图。其中，PD是光电探测器，ADC是模数转换器，DFB是分布反馈激光器。具体实施方式本专利技术通过提供一种多波长并行光量子随机数发生器，解决了现有技术中单方面提高采样速率带来的随机数熵值下降和短程相关性增加的技术问题，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。本专利技术中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：多波长光源可以由多个不同工作波长的激光器构成，其输出光束包含多个等频率间隔的光谱分量(对应于每个激光器的输出光)，在经过干涉仪模块时，由于干涉仪结构频谱的周期性(法布里-珀罗干涉仪和马赫-泽德干涉仪的透射谱分别如图1和图2所示，迈克尔逊干涉仪的透射谱与马赫-泽德干涉仪类似，不再重复给出)，每个光谱分量中的相位噪声均转换为幅度噪声，再经由解复用器把不同的光谱分量分别导入不同的支路，在支路上由光电探测器将光信号转化为电信号，再由模数(A/D)转换器经过采样和量化后产生随机数。如果多波长光源的波长数为n，则意味着随机数产生速率能得到n倍的提升。在图1中，腔长是50μm，两个腔镜反射率是0.70，空气折射率是1；在图2中，两臂光纤的物理长度差是0.5mm，光纤折射率是1.5；实线和虚线分别表示马赫-泽德干涉仪两个输出端口的透射谱，二者是互补的。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3，本专利技术提供的多波长并行光量子随机数发生器，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；多波长光源的光输出端与干涉仪的光输入端连接，干涉仪的光输出端与解复用器的光输入端连接，解复用器的光输出端与光电探测器的光输入端连接，光电探测器的电信号输出端与模数转换器的电信号输入端连接。具体地，本专利技术提供了三种多波长光源的结构：第一种多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；宽谱光源的光输出端与梳状滤波器的光输入端相连，梳状滤波器的光输出端与干涉仪的光输入端连接。第二种多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；各单波长激光器的输出光束射入光耦合器，光耦合器的光输出端与干涉仪的光输入端连接。第三种多波长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。2.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；所述宽谱光源的光输出端与所述梳状滤波器的光输入端相连，所述梳状滤波器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。3.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；所述各单波长激光器的输出光束射入所述光耦合器，所述光耦合器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。4.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源为多波长同时激射的单个激光器；所述各激光器的输出光束与所述干涉仪的光输入端连接。5.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪伟，刘威，周金荣，陈思井，陈苗，朱明，张未冬，
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