量子图像传感器量子随机数生成制造技术

一些实施例提供了用于基于单比特或多比特量子图像传感器(QIS)的量子随机数生成的方法和装置，该QIS在时间间隔内针对QIS的像素阵列的每个像素提供单光子计数，其中基于在该时间间隔内针对每个像素计数的光子数生成随机数数据。

Quantum random number generation of quantum image sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子图像传感器量子随机数生成相关申请的交叉引用本申请要求于2017年5月5日提交的美国临时申请No.62/332,077的权益，其通过引用整体并入本文，以用于每个PCT成员国和地区的目的，其中，这样通过引用的并入被许可或以其他方式不被禁止。
本公开一般涉及随机数生成(RNGn)，使用光检测器的随机数生成，并且更具体地，涉及基于高随机、非确定性的基于光子激射的随机数生成。
技术介绍
生成高质量的随机数对于诸如密码学、科学计算(蒙特卡罗数值模拟)和投机的若干应用变得越来越重要。随着计算机使用领域的扩展和电子通信网络的快速发展，这类应用的数量迅速增长。例如，密码学是最迫切需要的应用之一。这涉及用于确保通信的保密性、真实性和完整性的算法和协议，它们需要真随机数来生成加密。然而，使用确定性算法(例如，伪随机数发生器(PRNG))不能获得高质量的随机数；相反，可以依赖实际的物理过程来生成高质量的随机数。最可靠的过程是根本上随机的量子物理过程。实际上，亚原子粒子在量子水平上的行为的内在随机性是自然界中为数不多的完全随机过程之一。通过将随机数发生器(RNG)的结果与量子粒子的随机行为联系起来，可以保证真正无偏且不可预测的系统，其可以被称为量子随机数发生器(QRNG)。光子激射是泊松过程，并且已经被用作RNGn中的随机源。在先前基于光子激射的RNGn技术中使用的光子探测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)和传统的CMOS图像传感器(CIS)。SPAD可以提供单光子检测能力并基于光子量子效应实现QRNGn，但是相对大的尺寸(例如，SPAD阵列中的7-20μm像素间距)限制了每单位面积尺寸的数据输出速率。而且，SPAD中的高暗计数率(例如，-1000计数/秒)降低了随机性质量。传统的CIS受到读出电子器件中相对高的噪声基底(例如，＞1e-r.m.s.)的限制，并且不具有单光子检测能力。在这种情况下，光子信号明显被读噪声破坏，并且由于读噪声也是随机分布的，使用传统CIS的RNGn过程不是完全基于量子效应的，因此限制了输出的随机性质量和稳定性。因此，需要对QRNG进一步研究和改进，以例如提供更充分地利用和/或实现基于量子的随机性的QRNG。并且，这样的研究和改进可以增大光子计数精度、降低噪声、减少暗电流、增大输出数据速率和/或增大可扩展性。
技术实现思路
为了例如解决QRNG的上述和/或其他限制中的至少一个或多个，本公开的一些实施例提供了用于基于单比特或多比特量子图像传感器(QIS)的量子随机数生成的方法和装置，所述QIS提供在时间间隔内针对QIS的像素阵列的每个像素的的单光子计数，其中基于针对每个像素在该时间间隔内计数的光子数生成随机数数据。在一些实施例中，QRNG包括：(i)QIS，所述QIS包括像素阵列，其中每个像素被配置为将入射在所述像素上的单个光子转换为存储在所述像素中的单个光电荷载流子(电子或空穴)，并且其中所述QIS被配置为以单个光电荷载流子灵敏度(从而，提供单光子灵敏度)从每个像素读出光电荷载流子(如果在时间间隔内有光电荷载流子存储在该像素中)，以便生成与所存储的光电荷载流子的数量相对应的像素信号(例如，模拟电压信号或数字数/信号)；以及(ii)比较电路，被配置为针对每个像素将像素信号与阈值电平进行比较(例如，在模拟或数字域中)，以便针对每个像素生成具有二进制值的比特，所述二进制值取决于像素信号是小于阈值电平还是不小于阈值电平，其中所述二进制值基于阈值电平基本上是等概率的，从而提供具有高质量随机性的二进制输出数据(例如，比特熵约为1)。比较电路的全部或部分可以与QIS的像素阵列单片集成；在一些实施例中，QIS读出电路可以包含或包括比较电路。在一些实施例中，QRNG还可以包括以下项中的一个或多个：(i)光子源，被配置为生成入射在QIS像素阵列上的光子；(ii)光调节器，被设置成使得由光子源激射的光子在撞击像素阵列之前撞击所述光调节器；以及(iii)随机性提取器，被配置为处理根据读出QIS所产生的数据(例如，随机输出数据或数字像素信号)。在各种实施例中，QRNG可以包括控制电路，控制电路被配置为例如调整或控制阈值电平、像素累积光电荷载流子的时间间隔、光子源激射强度和/或光调节器中的一个或多个，以使QIS生成的随机数数据的随机性(例如，根据比特熵度量)最大化。在一些实施例中，这种调整控制可以基于例如监视量子曝光和/或测量/监视所生成的随机数数据的随机性。根据一些实施例，单比特或多比特QIS包括像素阵列(例如，点)，每个像素被配置用于将入射光子光转换成相应的光电荷(例如，电子(e)或空穴(h+))，并且具有足够的像素内转换增益而没有像素内雪崩增益，以提供具有单电子灵敏度和分辨率的光电荷读出，从而提供在该时间间隔内的单光子计数。根据各种实施例，像素内转换增益可以是至少420μV/电荷-载流子(e-或h+)，并且可以是大于500μY/电荷-载流子(e-或h+)，并且还可以是超过1000μV/电荷-载流子(e-或h+)。并且，根据各种实施例，与每个QIS像素相关联的读噪声是约0.5电荷载流子(e-或h+)rms或更小，并且可以是约0.3e-或h+rms或更小，并且还可以是约0.15e-或h+rms或更小。每个QIS像素可以包括电荷存储(累积)区域，其被配置为存储(累积)在该时间间隔内在像素中生成的并且在该时间间隔之后从像素读出的光电荷。像素存储区域的全阱电荷存储容量可以根据实现方式而变化(例如，单比特或多比特QIS、转换增益、读出链上的电压限制、目标阈值电平等)。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有规定，否则以下术语至少具有本文中明确关联的含义。以下确定含义不一定限制术语，而只是提供术语的说明性示例。本文中所使用的短语“实施例”不一定指代相同的实施例，尽管其可以这样指代。另外，“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用；因此，例如“实施例”不限于单个实施例，而是指一个或多个实施例。类似地，短语“一个实施例”不一定指相同的实施例，并且不限于单个实施例。如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”是包容性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”。除非上下文另有明确规定，否则术语“基于”不是排他性的，并且允许基于未描述的其他因素。此外，如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则术语“耦接”是指直接连接或通过一个或多个中间组件间接连接，并且在一些上下文中，也可以表示或包括电耦接(例如，导电耦接、电容耦接和/或电感耦接)。此外，“导电耦接”是指经由一个或多个中间组件耦接，一个或多个中间组件允许经由传导电流来进行能量转移，该传导电流能够包括直流电流以及交流电流，而“电容耦接”是指通过一个或多个介电介质并且还可能经由一个或多个中间导体来静电耦接(例如，经由一系列电容性组件)，所述中间导体允许经由位移电流而不是经由直流电流来进行能量转移。本领域技术人员将进一步理解，元件可以有意地或无意地(例如，寄生地)电容耦接，并且在一些上下文中，被称为电容耦接的元件可以是有意的电容耦接。此外，本领域技术人员还将理解，在一些上下文中，术语“耦接”可以指通过直接和/或间接连接的操作耦接。例如，被称为耦接到晶体管的栅极的导体(例如，控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子随机数发生器(QRNG)，包括：量子图像传感器(QIS)，所述QIS包括像素阵列，所述QIS的每个像素被配置为将从光子源激射的光子转换为带电的光载流子，其中所述QIS被配置为以单光载流子灵敏度读出每个像素以提供表示光载流子的数量的计数的信号；以及其中，所述QRNG被配置为基于在时间间隔内收集的光载流子的数量来输出具有随机性的随机数数据。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.05 US 62/332,0771.一种量子随机数发生器(QRNG)，包括：量子图像传感器(QIS)，所述QIS包括像素阵列，所述QIS的每个像素被配置为将从光子源激射的光子转换为带电的光载流子，其中所述QIS被配置为以单光载流子灵敏度读出每个像素以提供表示光载流子的数量的计数的信号；以及其中，所述QRNG被配置为基于在时间间隔内收集的光载流子的数量来输出具有随机性的随机数数据。2.根据权利要求1所述的QRNG，其中对于每个像素，在时间间隔内收集的光载流子的数量被转换为电压，然后通过使用阈值电平被转换为二进制信号。3.根据权利要求2所述的QRNG，其中，所述电压与模拟域中的阈值电平进行比较。4.根据权利要求2所述的QRNG，其中所述转换是在数字域中执行的，其中所述光载流子信号由比特深度高于1比特的ADC转换为数字信号或数字数(DN)，并且所述数字信号或数字数被转换为1比特随机数。5.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，所述光子源强度是可调的，以实现所述随机数数据的理想随机性熵和/或实现大于所述随机数数据的随机性熵的最小值。6.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，所述光载流子收集速率和所述阈值电平是可调的，以实现所述随机数数据的理想随机性熵和/或实现大于所述随机数数据的随机性熵的最小值。7.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，能够基于光子源与像素阵列的相对位置来调整所述光载流子速率。8.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，能够通过片上或片外DAC提供的参考电压来调整所述阈值电平。9.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，周期性地或非周期性地重置所生成的随机数数据的可调节级别，以使随机性熵最大化。10.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，周期性地或非周期性地调整以下项中的一个或多个，以使随机数数据的随机性熵最大化：收集光载流子的时间间隔、光子源强度和用于确定二进制输出的值的阈值电平。11.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，所述QRNG包括光子源。12.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，所述QRNG包括随机性提取器。13.根据前述权利要求中任一项所述的QRNG，其中，所述QRNG包括光调节器，所述光调节器设置成使得由所述光子源激射的光子在撞击所述像素阵列之前撞击所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：恩纳·阿姆里，雅辛·费尔克，达米安·斯图克奇，马佳居，埃里克·R·福萨姆，
申请(专利权)人：ID量子技术公司，达特茅斯学院董事会，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH