基于自由空间器件的量子随机数发生装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于自由空间器件的量子随机数发生装置，其包括激光光源、自由空间衰减单元、单光子探测器、时间

【技术实现步骤摘要】
基于自由空间器件的量子随机数发生装置


[0001]本技术涉及量子信息
，具体涉及基于自由空间器件的量子随机数发生装置。

技术介绍

[0002]在量子通信系统中，随机数的应用随处可见，且对随机性要求非常严格。量子通信设备产生的密钥就是一个随机序列，该序列随机性的质量决定了密钥的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也十分广泛，在统计抽样、蒙特卡洛模拟及科学计算中，都扮演着重要角色。量子随机数发生器相对于基于数学算法的伪随机数发生器，使用基于量子力学原理的随机源，对随机变量进行测量得到输出信息，形成随机数。量子力学中的不确定性，真正满足不可预测和不可复制特征的物理过程，因此，基于量子随机源的方案也被称为真随机数发生器。
[0003]图1示出了现有技术中的一种量子随机数发生器(参见CN 109240645A号中国专利申请)，其中通过光学干涉仪将激光的相位波动转换为激光强度涨落，采用常规光电探测器进行探测，而无需单光子探测器，由此可以提升随机数的生成速率。
[0004]图2示出了现有技术中的另一种量子随机数生成方法、装置及量子随机数发生器(参见CN 111090416 A号中国专利申请)，其中根据两个光信号各自的光强选取探测结果，不再按照时间进行间隔采样。由于根据两个光信号各自的光强选取探测结果，因此可以避免对存在误差甚至错误的探测信号进行采样生成数字信号，从而选取更加准确的探测信号，提高最终提取的随机数的随机性。
[0005]图3示出了现有技术中的一种小型化的随机数发生器(参见CN 106933532A号中国专利申请)，该发生器基于激光相位噪声波动原理，通过光学干涉仪将激光相位噪声转换为强度波动，利用常规高速光电探测器实现光强探测，经过一系列后处理输出最终的随机数比特。该干涉仪结构简单，有利于小型化，随机数产生速率较高。
[0006]在上述已有的量子随机数发生装置或方法中，均采用基于激光相位噪声波动原理，普遍通过光学干涉原理将相位噪声转换为强度波动，从而可以采用普通的光电探测器对光强波动进行探测，这有利于提高量子随机数的生成速率。然而，这些装置或方法中普遍采用干涉仪结构，这类光学干涉仪对周围环境扰动通常比较敏感，如温度波动、振动等影响均会影响干涉仪的输出稳定性。另一方面，所采用的干涉仪结构，基本都依赖于光纤结构及光纤器件，各器件之间的连接头(无论采用光纤连接器或熔纤方案)会占用较大体积，加之有光纤的弯曲半径的限制，含有光纤结构的量子随机数发生装置难以真正实现紧凑化和小型化。
[0007]图4示出了现有技术中的一种基于全光纤结构的光子到达时间测量的随机数测量装置，其中，激光器发固定强度的连续光，通过光纤可调光衰减器(VOA)对连续激光进行衰减来实现单光子探测器所需光强。由于该随机数测量装置为全光纤结构，采用带有标准法兰接头的插拔式光功率计即可完成光强标校。但是，其中使用的激光二极管、可调光衰减
器、单光子探测器均为含有尾纤的器件，器件之间连接及盘纤等都会占用较大体积或空间，且三个器件均为电控有源器件，增加了驱动电路的要求，在进行小型化和紧凑化设计方面增加了难度。

技术实现思路

[0008]针对这一问题，本技术提出了一种基于自由空间器件的量子随机数发生装置。其中，由于不使用光纤器件(例如光学干涉仪及其控制电路)，借助自由空间光学器件及光源调节将光强衰减至单光子水平，由此可以允许量子随机数发生装置以紧凑的结构、简单的控制过程实现。因此，可以扩展量子随机数发生装置的应用场景，例如用于小型设备或者嵌入功能板卡中。同时，由于无需与光学干涉仪相关的复杂相位反馈和维稳过程，该量子随机数发生装置可以获得更加稳定的光学输出结果稳，且对电子学要求更低，适合工业化推广。
[0009]具体而言，本技术涉及一种基于自由空间器件的量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间
‑
数字转换单元及数据处理单元；
[0010]所述激光光源用于生成连续的激光信号；
[0011]所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；
[0012]所述时间
‑
数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；
[0013]所述数据处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；
[0014]其特征在于：
[0015]所述激光信号的波长在紫外到近红外波段；
[0016]所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平；
[0017]所述数据处理单元基于FPGA实现。
[0018]进一步地，所述激光光源为激光二极管；并且，基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。
[0019]进一步地，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中的至少一种；
[0020]所述光发散元件被设置用于增加所述激光信号的发散角；
[0021]所述自由空间衰减片被设置用于为通过的激光信号提供衰减。
[0022]可选地，所述光发散元件包括凹透镜。
[0023]可选地，所述自由空间衰减片包括自由空间中性滤光片。
[0024]进一步地，所述激光光源为激光二极管。
[0025]更进一步地，该量子随机数发生装置还包括激光二极管驱动电路，用于调节所述激光二极管的工作电流。
[0026]优选地，所述激光二极管具有850nm的工作波长；并且，
[0027]所述自由空间衰减单元包括光学密度为OD4的自由空间中性滤光片，以及凹透镜；
或者，
[0028]所述自由空间衰减单元包括光学密度为OD1、OD2和/或OD3的自由空间中性滤光片的组合。
[0029]可选地，所述单光子探测器为硅基单光子探测器或者铟镓砷材料的单光子探测器。
[0030]可选地，所述时间
‑
数字转换单元基于FPGA实现。
附图说明
[0031]下面结合附图对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0032]为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
[0033]图1示出了现有技术中的一种量子随机数发生器；
[0034]图2示出了现有技术中的另一种量子随机数发生器；
[0035]图3示出了现有技术中的一种小型化的随机数发生器；
[0036]图4示出了现有技术中的一种基于全光纤结构的光子到达时间测量的随机数测量装置；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由空间器件的量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间
‑
数字转换单元及数据处理单元；所述激光光源用于生成连续的激光信号；所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；所述时间
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数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；所述数据处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；其特征在于：所述激光信号的波长在紫外到近红外波段；所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平；所述数据处理单元基于FPGA实现。2.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于：所述激光光源为激光二极管；并且，基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。3.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶俊，蒋连军，王立伟，刘仁德，于林，唐世彪，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：