基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法技术

本发明专利技术提供一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法，包括：激光器、真空态发生器、零差探测模块、弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块以及后处理模块；零差探测模块包括分束器、光电探测器、可调光衰减器以及减法器；激光器的输出端连接分束器的一个输入端；真空态发生器的输出端与分束器的另一个输入端相连；分束器的输出端连接可调光衰减器的输入端；可调光衰减器的输出端连接光电探测器的输入端；光电探测器的输出端与减法器连接；弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块和后处理模块顺次相连；弱信号放大器输入端与减法器的输出端相连。本发明专利技术能够得到随机数随机性更高的量子随机数，并有效去除随机数中的直流偏差。偏差。偏差。

【技术实现步骤摘要】
基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法


[0001]本专利技术涉及量子随机数
，具体地，涉及一种基于真空涨落量子随机数生成装置及可以自平衡的量子随机数发生器，尤其涉及一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法。

技术介绍

[0002]随着全球计算机及信息技术的发展，通信交流日益频繁，通信中的信息安全越来越受到人们的重视。为应对通信安全日益增加的需求，其中最重要的通信方式之一，量子通信受到了人们的青睐，而作为量子通信的重要组成部分，随机数发生器，对量子通信的安全基础，有着非常重要影响。此外，随机数理论又是密码学中的一个最重要的组成部分，如今，随机数不仅在密码领域，在其他科学研究领域也有着非常重要的作用，比如统计抽样、随机算法、密码学、信息通信安全等科学和技术的众多领域中扮演着非常重要的角色。
[0003]随机数是满足一定的统计性质，并且不具有任何固定的或是明显的模式的数字或符号的序列。根据随机数的产生方法可以将其分为两大类：伪随机数和真随机数。伪随机数通常利用确定性的计算机软件算法和较短的随机种子序列来产生，这种确定性的算法产生的随机数列并不是完全随机的随机数列，其本质上不具有真正的随机性。因此，在对安全性有较高需求的应用中，伪随机数序列已经不能满足需要。
[0004]真随机数序列是由真随机数发生器产生的，其一般而言是利用对非确定性的物理现象的测量和采样来产生的。通常真随机数满足以下三个特征：不可重复性、不可预测性、无偏性。对于产生非确定性物理现象的物理随机源有很多，比如大气噪声、电子噪声、频率抖动、辐射衰变等。然而受限于经典物理机制及现有采样提取手段，使得随机数序列的成码率很低，无法适应实际需求。随着量子技术的快速发展，真随机数在物理随机源的选择和采样测量技术上有了较大的突破。利用物理随机源的量子特性来设计的真随机数发生器，其随机性来源安全且成码率高。因此，量子随机数发生器在信息安全领域有着非常重要的应用。
[0005]信息安全往往涉及到密钥对信息的加密，而密钥的基础是随机数。基于量子力学的量子随机数，由于量子力学的不确定性基本原理确保了随机数的随机性。因此，量子随机数发生器是随机数的重要发展方向。
[0006]目前有许多量子随机数发生器的方案，例如基于单光子路径选择的方案、基于光子到达时间的方案、基于激光器相位涨落的方案等。然而现有的量子随机数发生器方案存在诸多缺点，有的系统复杂不易控制，有的随机数产生速率低，有的需要复杂的相位稳定系统不利于集成，有的需大型的仪器设备成本高。
[0007]近年来，基于真空态测量的量子随机数生成方法成为一种新的量子随机数产生方法，通过测量真空态并从测量结果中抽取随机比特，以达到生成随机数的目的。
[0008]目前，基于真空态测量的量子随机数生成方法得到的随机数比特数比较低，生成方法因为本身光电探测器、放大器等器件受电流或温度等参量的影响，存在偏置和不对称
问题，这些问题致使采样的数据产生较明显的偏置以及使数据统计直方图不对称，最终导致随机数随机性不好。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法。
[0010]根据本专利技术提供的一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器及使用方法，所述方案如下：
[0011]第一方面，提供了一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，所述量子随机数发生器包括：激光器、真空态发生器、零差探测模块、弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块以及后处理模块；
[0012]其中，所述零差探测模块包括分束器、光电探测器、可调光衰减器以及减法器；
[0013]所述激光器的输出端连接所述分束器的一个输入端；所述真空态发生器的输出端与所述分束器的另一个输入端相连；所述分束器的输出端连接所述可调光衰减器的输入端；所述可调光衰减器的输出端连接所述光电探测器的输入端；光电探测器的输出端与所述减法器连接；所述弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块和后处理模块顺次相连；所述弱信号放大器输入端与所述减法器的输出端相连。
[0014]优选地，所述激光器用于输出连续且稳定的激光；
[0015]所述真空态发生器用于产生真空态；
[0016]所述零差探测模块实现对真空态的测量；
[0017]所述弱信号放大器为运算放大器，实现对电信号的放大；
[0018]所述模数转换器为巴伦与模数转换芯片，实现电信号的数字转换；
[0019]所述熵评估模块和后处理模块，利用FPGA芯片实现。
[0020]优选地，所述激光器输出的激光作为本地振荡器与所述真空态发生器输出的真空态相干涉，得到干涉光；
[0021]所述分束器是随机偏振方向为50:50的分束器，对所述干涉光进行分束；所述可调光衰减器对分束后的干涉光进行光强调节从而控制零差探测模块的平衡状态；所述光电探测器将光信号转换为电信号；所述减法器利用光电探测器的探测的电信号得到差分电流。
[0022]优选地，所述可调光衰减器，通过自平衡算法对可调光衰减器上臂与可调光衰减器下臂的光强进行平衡状态的自动调节。
[0023]优选地，所述自平衡算法步骤包括：
[0024]步骤1)：调节可调光衰减器上臂电压使数字模拟转换器输入值为n1，调节下臂可调光衰减器电压使数字模拟转换器的输入值为n2，读取零差探测模块输出电压值的直流分量均值为ν，ν是零差探测模块可调光衰减器上臂与可调光衰减器下臂的电流差经过弱信号放大器放大的输出电压值，表示为ν＝f(n1‑
n2)；已知n1的最小调节值为0mv，最大调节值为2
w
mv，w为数字模拟转换器芯片精度的位数，此时令B＝0mv，T＝2
w
mv，算法转至步骤2)；
[0025]步骤2)：判断ν，如果
‑
50mv≤ν≤50mv，输出n1，停止算法；如果50mv≤ν，算法转至步骤3)；如果
‑
50mv≥ν，算法转至步骤4)；
[0026]步骤3)：令T＝n1，调节可调光衰减器上臂电压使数字模拟转换器输入值为
再次读取零差探测模块经过弱信号放大器放大的输出电压值的直流分量均值ν，算法转至步骤2)；
[0027]步骤4)：令B＝n1，调节可调光衰减器上臂电压使数字模拟转换器输入值为再次读取零差探测模块经过弱信号放大器放大的输出电压值的直流分量均值ν，算法转至步骤2)。
[0028]第二方面，提供了一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器使用方法，所述方法包括：
[0029]步骤S1：将所述激光器产生脉冲激光作为本振光进入50:50分束器的一个输入端，将所述真空态发生器产生的真空态作为信号光进入50:50的分束器的另一个输入端，本振光与真空态相干涉，得到干涉光；
[0030]步骤S2：光分束器将输入的所述干涉光一分为二，分束后的干涉光通过控制模块算法经可调光衰减本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器包括：激光器、真空态发生器、零差探测模块、弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块以及后处理模块；其中，所述零差探测模块包括分束器、光电探测器、可调光衰减器以及减法器；所述激光器的输出端连接所述分束器的一个输入端；所述真空态发生器的输出端与所述分束器的另一个输入端相连；所述分束器的输出端连接所述可调光衰减器的输入端；所述可调光衰减器的输出端连接所述光电探测器的输入端；光电探测器的输出端与所述减法器连接；所述弱信号放大器、模数转换器、熵评估模块和后处理模块顺次相连；所述弱信号放大器输入端与所述减法器的输出端相连。2.根据权利要求1所述基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，其特征在于，所述激光器用于输出连续且稳定的激光；所述真空态发生器用于产生真空态；所述零差探测模块实现对真空态的测量；所述弱信号放大器为运算放大器，实现对电信号的放大；所述模数转换器为巴伦与模数转换芯片，实现电信号的数字转换；所述熵评估模块和后处理模块，利用FPGA芯片实现。3.根据权利要求1所述的基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，其特征在于，所述激光器输出的激光作为本地振荡器与所述真空态发生器输出的真空态相干涉，得到干涉光；所述分束器是随机偏振方向为50:50的分束器，对所述干涉光进行分束；所述可调光衰减器对分束后的干涉光进行光强调节从而控制零差探测模块的平衡状态；所述光电探测器将光信号转换为电信号；所述减法器利用光电探测器的探测的电信号得到差分电流。4.根据权利要求1所述的基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，其特征在于，所述可调光衰减器，通过自平衡算法对可调光衰减器上臂与可调光衰减器下臂的光强进行平衡状态的自动调节。5.根据权利要求4所述的基于真空涨落测量的自平衡量子随机数发生器，其特征在于，所述自平衡算法步骤包括：步骤1)：调节可调光衰减器上臂电压使数字模拟转换器输入值为n1，调节下臂可调光衰减器电压使数字模拟转换器的输入值为n2，读取零差探测模块输出电压值的直流分量均值为ν，ν是零差探测模块可调光衰减器上臂与可调光衰减器下臂的电流差经过弱信号放大器放大的输出电压值，表示为ν＝f(n1‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：周颖明，曾贵华，
申请(专利权)人：上海循态量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：