一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，主要包括熵源、测量端、非均匀量化器和传输存储装置。所述熵源部分采用基于真空涨落作为随机熵源，包括激光器、激光器调制驱动模块、等比例光纤分束器BS；所述的测量端包括零拍测量和光电转换模块，对熵源进行采样探测得到模拟电平信号；非均匀量化器包括分压电阻器、多路电压比较器以及必要的外围电路，将原始模拟的随机电压信号通过非均匀量化、编码操作得到原始数字信号；使用FPGA对原始数字信号进行后处理得到真随机数，并进行传输存储操作。本发明专利技术中使用了非均匀量化的方式代替传统的均匀量化的方式，提高了原始数据中可提取的随机性。可提取的随机性。可提取的随机性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置


[0001]本专利技术涉及量子通信和量子密码领域，尤其是一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置。

技术介绍

[0002]随机数在许多现代商业和科学领域的广泛应用中发挥着不可或缺的作用，例如随机模拟、统计采样、彩票以及密码协议。真正安全的随机数的生成过程是必不可少的步骤。
[0003]实用化的量子随机数发生器(Quantum Random number Generators，QRNGs)已经可以被精确建模，并且实现的设备简单，随机数产生速率可以达到Gbps的级别，已经达到实用化的水平。目前，许多公司已经拥有实用化的QRNGs产品，例如，瑞士IDQ公司、德国PicoQuant公司、中国国盾量子公司等。
[0004]实用化的量子随机数发生方案主要分为两类，离散型和连续型。离散型实用化的QRNGs方案包括基于单光子路径区分、基于光子数可分辨、基于单光子到达的时间等，但是这一类的方案受限于单光子探测器的性能(主要取决于最高计数率和分辨率)，导致离散型实用化的QRNGs的随机数产生速率很难突破百兆级别。连续型实用化的QRNGs方案可以大大地提升随机数的产生速率，这类方案大多数采用高速的光电探测器，随机源可以包括基于真空涨落(Vacuum State Fluctuation)、基于放大自发辐射(Super Luminescent Emitting Diode，SLED)、基于激光相位波动(Laser Phase Fluctuations)等。
[0005]2010年，德国普朗克光学研究所的Cabriel小组首次实现了基于真空涨落的QRNGs方案，实验最终获得了6.5Mpbs的随机数生成速率，之后的一些优化方案可以将生成速率提高至Gpbs量级。2019年，北京大学的郭弘小组采用此种方法，实现了实时的6Gpbs的基于真空涨落的QRNGs方案。
[0006]现有量子随机数发生器的数模转换器(ADC)中包括一个采样保持电路，随着采样率和分辨率的不断提高，采样保持电路会带来采样速率上的瓶颈，带来高频率采样和稳定采样之间的矛盾，且高分辨率高采样率的ADC操作难度较大，成本较高。同时，在使用最小熵来量化可提取随机性的理论模型下，传统均匀量化的方式，单次采样可提取的随机性上限较小，存在性能利用率不足的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是回避在高频率时钟下操作和使用高分辨率ADC的难题，本专利技术提出了一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，通过非均匀量化的方式极大地提高可提取随机性，并且提高随机数生成的速率，同时降低设备的成本。
[0008]本专利技术的一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，包括依次连接的熵源、测量端、非均匀量化器、编码电路和后处理模块。熵源和测量端之间通过光纤连接，测量端用于对熵源信号做零拍探测并进行光电转换后，输出原始模拟电信号到非均匀量化器；非均匀量化器用于对测量端输出的原始模拟电信号进行非均匀量化，并将原始模拟电信号转化
为原始数字信号输出到编码电路进行编码；编码后的信号经后处理模块后得到真随机序列，即随机数。
[0009]进一步的，本专利技术的一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置还包括传输存储装置，与后处理模块连接，用于对真随机序列进行发送和存储。
[0010]进一步的，所述熵源包括激光器调制驱动模块、激光器和等比例光纤分束器BS；激光器调制驱动模块通过外接信号发生器，对激光器输出进行波长和功率的调制。激光器作为本地震荡器，连接至等比例光纤分束器BS的输入端，在等比例光纤分束器BS另一个输入端接入真空态，用以采集真空光场的随机变化；等比例光纤分束器BS用于将本地震荡和真空光场叠加，并等分的输出两路光场信号，通过光纤连接至测量端。激光器为分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)
[0011]进一步的，采用零拍探测器作为测量端，使用平衡放大光电探测器进行零拍探测，所述零拍探测器包括光电二极管D1、光电二极管D2、跨阻放大器、运算放大器、电容C1和电容C2；光电二极管D1与光电二极管D2串联，分别用于接收等比例光纤分束器BS输出的两路光场信号，经光电转换后，两路信号做差运算，再经低噪声的跨阻放大器和运算放大器放大，得到随机变化波形的原始模拟电信号；在跨阻放大器和运算放大器的输入级分别串联耦合电容C1和电容C2做交流耦合。
[0012]进一步的，非均匀量化器包括N路电压比较器以及N+1个分压电阻，其中N大于等于1；零拍探测器输出的原始模拟电信号接入每个电压比较器的同相输入端作为待测信号，N+1个分压电阻串联后两端分别连接电源+Vcc和
‑
Vcc，将电源电压划分为N+1个电压间隔，产生N个量化间隔的参考电压，所述电压间隔为呈不均匀分布；每个电压比较器的反相输入端分别连接一个分压电阻，N个量化间隔的参考电压分另作为N个电压比较器的阈值电压。
[0013]进一步的，采用以下递推方程设计电压间隔Δx
n+1
：
[0014]Δx
n+1
＝x
n+1
‑
x
n
[0015][0016]其中，n的取值为0到N，且为整数，x
n+1
和x
n
表示第n+1个分压电阻两端的电压。
[0017]进一步的，所述电压比较器包括电阻R1、R2、R3、R4、比较器和晶体管；电阻R1和R2作为限流电阻分别连接比较器的两输入端，比较器电路的输出端接上拉电阻R3稳定输出，晶体管集电极连接上拉电阻R4，比较器电路的输出端还连接晶体管基极，经过晶体管共发射极放大得到符合编码电路接口标准的原始数字电信号。
[0018]进一步的，后处理模块用于对编码后的数据进行Hash操作得到真随机序列。后处理模块和传输存储模块通过FPGA编程实现。在Zynq7000 Soc中实现基于AXI DMA的可编程逻辑(PL)与处理单元(PS)的数据交互方式，然后通过千兆网口实现随机数据与上位机之间的发送和存储。
[0019]有益效果：
[0020]本专利技术和现有的量子随机数发生装置相比具有如下优点：
[0021](1)本专利技术采用了阈值比较的方式实现非均匀量化的方案，回避了传统ADC带来的随机数生成速率瓶颈的问题，同时极大地提高了原始数据中可提取的随机性。
[0022](2)本专利技术中的非均匀量化器采用集成的电压比较器构成阈值比较电路，编码器
电路和传输存储模块采用FPGA实现，有更小的体积和更高的集成度，相比于高频率高分辨率的ADC在便携性和成本上有较大提高。
[0023](3)本专利技术使用FPGA实现了实时随机数后处理以及多种通用数据传输接口，可用于多种不同场景。
[0024](4)本专利技术在硬件上采用了相对成熟的电路设计方案，回避了使用SHA256等难度较大的Hash算法来进行实时随机数后处理，避免了因算法的不完美带来的随机数质量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，其特征在于，包括依次连接的熵源、测量端、非均匀量化器、编码电路和后处理模块；熵源和测量端之间通过光纤连接；测量端用于对熵源信号做零拍探测并进行光电转换后，输出原始模拟电信号到非均匀量化器；非均匀量化器用于对测量端输出的原始模拟电信号进行非均匀量化，并将原始模拟电信号转化为原始数字信号输出到编码电路进行编码；编码后的信号经后处理模块后得到真随机序列，即随机数。2.根据权利要求1所述一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，其特征在于，还包括传输存储装置，与后处理模块连接，用于对真随机序列进行发送和存储。3.根据权利要求1所述一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，其特征在于，所述熵源包括激光器调制驱动模块、激光器和等比例光纤分束器BS；激光器调制驱动模块通过外接信号发生器，对激光器输出进行波长和功率的调制；激光器作为本地震荡器，连接至等比例光纤分束器BS的输入端，在等比例光纤分束器BS另一个输入端接入真空态，用以采集真空光场的随机变化；等比例光纤分束器BS用于将本地震荡和真空光场叠加，并等分的输出两路光场信号，通过光纤连接至测量端。4.根据权利要求1所述一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，其特征在于，采用零拍探测器作为测量端。5.根据权利要求4所述一种基于非均匀量化的量子随机数发生装置，其特征在于，所述零拍探测器包括光电二极管D1、光电二极管D2、跨阻放大器、运算放大器、电容C1和电容C2；光电二极管D1与光电二极管D2串联，分别用于接收等比例光纤分束器BS输出的两路光场信号，经光电转换后，两路信号做差运算，再经低噪声的跨阻放大器和运算放大器放大，得到随机变化波形的原始模拟电信号；在跨阻放大器和运算放大器的输入级分别串联耦合电容C1和电容C2做交流耦合。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾心宇，王琴，李剑，周阳，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：