量子随机数生成系统及方法技术方案

量子随机数生成(QRNG)系统包括单光子或等效单光子光源；分束器，被布置成将来自光源的输出引导至具有第一本地振荡器的第一零差检测器和具有第二本地振荡器的第二零差检测器；以及信号控制和处理单元。信号控制和处理单元被配置为：改变第一本地振荡器和第二本地振荡器的相位；从第一零差检测器和第二零差检测器接收输出的多个测量，所述多个测量取决于光源的强度以及第一本地振荡器和第二本地振荡器的相位；从多个测量中确定是否满足CHSH不等式；以及根据是否满足CHSH不等式，输出一个或多个随机数。或多个随机数。或多个随机数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子随机数生成系统及方法


[0001]本专利技术笼统地涉及量子随机数生成(QRNG)系统和方法。

技术介绍

[0002]随机数生成是许多应用中的一项重要活动，例如密码学(加密、身份验证、数字签名)、金融(交易算法、电子货币)、物理过程的数值模拟、使用蒙特卡罗技术的优化问题以及基础研究。随机数的随机性和不可预测性是信息安全的关键，尤其是在密码学应用中。
[0003]随机数生成器(RNG)可分为两大类：根据使用种子值的确定性算法生成随机数的伪随机数生成器(PRNG)，和真随机数生成器(TRNG)，其中随机数是根据诸如流动中的湍流，或在电路或电路组件中的抖动等不可预测的物理效应生成的。
[0004]大多数基于物理现象的TRNG的问题是它们根据经典物理学生成随机数。因此，尽管系统噪声或混沌现象可能会引入一定程度的不可预测性，但随机数的源是最终确定的。
[0005]因此，最近有尝试设计基于量子物理过程的量子随机数生成器(QRNG)。因为量子现象本质上是随机的，所以QRNG提供了一种实现真随机数生成的方法。然而，QRNG的性能取决于所利用的量子特性、系统组件的正常运行，以及区分来自真正量子过程或可预测的经典信号的随机性的能力。
[0006]例如，在通过量子识别(ID Quantique)开发的一种已知QRNG产品中，单光子被注入半透明镜面。依据检测到光子路径(反射或传输)，系统公布位(bit)0或位1作为随机输出。
[0007]ID Quantique系统的操作原理假设单个光子生成已被充分表征，镜面是理想的半透明镜面，并且光子检测是完美的。但是，如果存在一些设备缺陷(实际上是不可避免的)，或者核心组件随着时间的推移而劣化，则系统可能实际上无法实施理想的量子过程。换句话说，很难确定随机性是由噪声还是量子效应引起的。
[0008]该问题的一种解决方案是充分表征每个组件的特性，并相应地修改随机数生成方案。然而，这带来了另一个困难，即仍然需要验证充分表征系统实际上在实践中产生了量子随机数。目前还没有关于应该如何或多久执行核心量子组件准确表征的明确指导。
[0009]克服或减轻上述问题中的至少一个，或至少提供有用的替代方案是可取的。

技术实现思路

[0010]本
技术实现思路
公开了一种量子随机数生成(QRNG)系统，包括：
[0011]单光子或等效单光子光源；
[0012]分束器，所述分束器被布置成将来自所述光源的输出引导至具有第一本地振荡器的第一零差检测器和具有第二本地振荡器的第二零差检测器；以及
[0013]信号控制和处理单元，所述信号控制和处理单元被配置为：
[0014]改变所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；
[0015]从所述第一零差检测器和所述第二零差检测器接收所述输出的多个测量，所述多
个测量取决于所述光源的强度以及所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；
[0016]从所述多个测量中确定是否满足CHSH不等式；以及
[0017]根据是否满足CHSH不等式，输出一个或多个随机数。
[0018]还公开了一种量子随机数生成(QRNG)方法，包括：
[0019]通过分束器将来自单光子或等效单光子光源的输出引导至耦接到第一本地振荡器的第一零差检测器和耦接到第二本地振荡器的第二零差检测器；
[0020]改变所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；
[0021]在信号控制和处理单元处，从所述第一零差检测器和所述第二零差检测器接收所述输出的多个测量，所述多个测量取决于所述光源的强度以及所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；
[0022]从所述多个测量中确定是否满足CHSH不等式；以及
[0023]根据是否满足CHSH不等式，输出一个或多个随机数。
[0024]还公开了一种光子芯片，包括如本
技术实现思路
所公开的系统和/或实施如本
技术实现思路
所公开的方法。
附图说明
[0025]参考附图,现在仅通过非限制性示例的方式描述本专利技术的实施例，其中：
[0026]图1(a)和1(b)示出了根据某些实施例的量子随机数生成器(QRNG)的高水平示意图；
[0027]图2是QRNG的信号控制和处理模块的示例架构的框图；
[0028]图3是根据某些实施例的QRNG的另一种可能实现的示意图；
[0029]图4是QRNG作为光子芯片的示例实施的示意图；
[0030]图5是根据某些实施例由QRNG产生的随机位数作为检测器阈值的函数的示图；
[0031]图6是根据某些实施例的作为QRNG的检测器阈值的函数的CHSH违例示图；以及
[0032]图7是根据某些实施例由QRNG产生的作为检测器阈值函数的随机位数的另一示图。
具体实施方式
[0033]本专利技术的实施例提供了一种用于基于量子非局部相关性和零差检测来生成可证明的量子随机数的方法和系统。
[0034]本专利技术的实施例能够保证输出随机性来自真正的量子相关性，而不使用任何昂贵的设备，诸如单光子检测器。
[0035]实施例提供了一种用于自测QRNG的方法和系统，其随机性仅取决于贝尔不等式的违例，表明量子纠缠的真正随机特性，而不是设备的正常运行。因此，可以确定随机性来自量子过程，而不是来自由组件劣化引起的经典噪声。
[0036]在之前基于贝尔不等式违例的QRNG中，需要严格的实验要求，例如高质量的纠缠生成和单光子检测。相比之下，本文公开的QRNG方法的实施例可以仅使用现成的组件来执行，使得与先前已知的方法相比成本大大降低。
[0037]一般而言，根据本实施例的方法和系统将单光子按顺序注入50:50分束器上，然后
根据两个不同的输出路径a和b生成一系列纠缠量子态：
[0038][0039]可以通过CHSH不等式违例来量化的量子纠缠态的相关性被用来确保随机性是量子的而不是经典的。
[0040]首先参考图1(a)，量子随机数生成(QRNG)系统10的实施例包括被配置为以单光子水平输出光的单光子或等效单光子光源12。源12的输出被导向50:50分束器14以生成一系列单光子纠缠态，每个纠缠态由第一测量装置16或第二测量装置18检测。
[0041]系统10可以广义地被认为实现三个功能：量子态生成、量子态测量以及信号调制和采集。
[0042]量子态生成可以通过单光子源12(例如，其可以包括激光二极管、强度调制器和衰减器)和50:50分束器14来实现。在理想情况下，可以使用单光子源来生成纠缠。然而，可以通过其他方式提供等效的单光子源，例如通过使用相干态和诱饵状态技术来检索单光子贡献。为了执行该技术，改变相干态的强度，并执行适当的后处理，如下面将进一步详细描述的。激光二极管可用于生成相干态，强度调制器可用于强度变化，以及衰减器可用于单光子水平功率衰减。
[0043]量子态测量部分被描绘为在图1(a)中的第一测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种量子随机数生成(QRNG)系统，包括：单光子或等效单光子光源；分束器，所述分束器被布置成将来自所述光源的输出引导至具有第一本地振荡器的第一零差检测器和具有第二本地振荡器的第二零差检测器；以及信号控制和处理单元，所述信号控制和处理单元被配置为：改变所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；从所述第一零差检测器和所述第二零差检测器接收所述输出的多个测量，所述多个测量取决于所述光源的强度以及所述第一本地振荡器和所述第二本地振荡器的相位；从所述多个测量中确定是否满足CHSH不等式；以及根据是否满足CHSH不等式，输出一个或多个随机数。2.根据权利要求1所述的QRNG系统，其中，所述光源被配置为生成多个不同强度的相干态，并且其中所述系统包括用于将所述输出衰减到单光子水平的衰减器。3.根据权利要求1或2所述的QRNG系统，其中，所述信号控制和处理单元被配置为从所述多个测量中确定一组单光子相关概率；并根据所述一组单光子相关概率确定是否满足CHSH不等式。4.根据权利要求1至3中任一项所述的QRNG系统，其中，所述信号控制和处理单元被配置为在确定是否满足CHSH不等式之前将阈值应用于各个测量。5.根据权利要求1至4中任一项所述的QRNG系统，其中，所述信号控制和处理单元被配置为将随机性提取器应用于所述一个或多个随机数。6.根据权利要求5所述的QRNG系统，其中，所述随机性提取器是通用散列函数。7.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：林赐文，王超，王玉坤，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：