一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法及系统，该方法不依赖于具体的光源分布，可以应用于量子随机数发生器系统中。该方法通过制备方Alice将接收到的光脉冲随机调制为信号态、诱骗态和真空态，再将调制后的光脉冲随机制备为四种不同的编码态之一，并发送给测量方Bob；测量方Bob随机选择基矢对发过来的编码态进行投影测量，得到输出结果；通过计算对应光脉冲强度下的增益，以及基于所计算的增益采用诱骗态方法估算信道参数及随机性大小；根据随机性大小在测量结果中提取随机数。本发明专利技术不依赖具体的光源分布，具有普适性。普适性。普适性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法及系统


[0001]本专利技术属于量子信息
，具体涉及一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法及系统。

技术介绍

[0002]作为密码学的一个重要研究方向，随机数在我们的日常生活中得到了广泛的应用，其应用领域是方方面面的。例如保密通信中大量运用的会话密钥的生成即需要真随机数的参与，随机验证码可以有效的防止盗号、木马等，还有诸如仿真、统计学。这些实际的应用都和随机数的不可预测性息息相关。随机数通常可以分为两大类，伪随机数和真随机数。伪随机数通常是用确定性的算法计算出来均匀分布的随机数序列，具有统计上的均匀性、独立性等，但是其本身并不是真的随机，而是由初值决定。真随机数发生器往往是建立在不可预测的物理现象之上，由物理过程内禀的随机性决定，例如真空涨落、核裂变等。最重要、最典型的一种真随机数发生器是量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator，QRNG)，其随机性基于量子力学中的不确定性。
[0003]QRNG按照设备受信与否可以被分为三种：设备受信QRNG，半设备无关QRNG(Semi
‑
device
‑
independent QRNG，SDI
‑
QRNG)和设备无关QRNG(Device
‑
independent QRNG，DI
‑
QRNG)。三者的区别如下：若量子随机数发生器的设备都是可信，包括光源、探测器，那么则称设备受信QRNG；DI
‑
QRNG的设备并没有满足完美的条件，它的设备不受信；SDI
‑
QRNG是前两种的折衷，它对一些部分设备做了简单的假设。设备受信QRNG的技术已经发展的较为成熟，逐渐开始商用。但是因为现实中并不一定会满足它的理想的条件，窃听者可能会利用其中的漏洞。理论上说，利用DI
‑
QRNG可以生成安全性最高的随机数，但是由于现在尚未有足够的能力，现实中使用的并不多。相比之下SDI
‑
QRNG生成随机数的速率较高且安全性也较高，因此它也越来越受研究者的欢迎，热度逐渐升高。现在大部分的QRNG方法都假设使用理想单光子源，但可惜的是现实中由于科技水平尚未满足，并不能得到真正理想的单光子源，这对具体的实现产生了障碍。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法及系统，不依赖于具体的光源分布，将量子随机数发生器的光源看作一般性的光源分布，而非固定的光源分布，并在此基础上建立了一种普适的量子随机数发生方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术提供一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法，包括：
[0007]通过光源产生光脉冲并发送至制备方Alice；
[0008]通过制备方Alice将接收到的光脉冲随机调制为三种强度中的一种，所述三种强度分别为信号态、诱骗态和真空态，用{μ,ν,ο}表示，其中μ＞ν＞ο；
[0009]通过制备方Alice将调制后的光脉冲随机制备为四种不同的编码态之一，并发送
给测量方Bob；其中，编码态记为ρ
x
，x∈{0,1,2,3}，ρ0和ρ1组成一组正交基，ρ2和ρ3组成另一组无偏的正交基；
[0010]通过测量方Bob随机选择基矢y∈{0,1}对制备方Alice发过来的编码态进行投影测量，得到输出结果b∈{0,1}，投影测量算符记为
[0011]通过制备方Alice公布调制的光脉冲强度ω，ω∈{μ,ν,ο}和对应的编码态ρ
x
，测量方Bob公布基矢y，计算对编码态ρ
x
使用测量算符得到输出b的概率p(b|x,y)；
[0012]基于概率p(b|x,y)计算对应光脉冲强度ω下的增益Q
ω
；
[0013]基于所计算的增益Q
ω
采用诱骗态方法估算信道参数及随机性大小；
[0014]根据随机性大小在测量结果中提取随机数。
[0015]进一步的，所述光源为以下任意一种类型的光源：
[0016]弱相干态光源、标记单光子源、修改相干态光源、添加单光子相干态光源、热分布光源和二项分布光源。
[0017]进一步的，所述基于概率p(b|x,y)计算光脉冲强度ω下的增益Q
ω
，包括：
[0018][0019]其中，p
i
(ω)为光脉冲概率分布，i为脉冲中的光子数i∈{0,1,2,...}，η为整体的传输效率和探测器效率，d为探测器的暗计数。
[0020]进一步的，所述基于所计算的增益Q
ω
采用诱骗态方法估算信道参数及随机性大小，包括：
[0021]所述信道参数为单光子计数率q1(b|x,y)的上界和下界，计算如下：
[0022][0023][0024]其中，和分别表示单光子计数率的下界和上界；p0(ν)和p0(μ)分别为光子数为0，光脉冲强度为ν和μ的光脉冲概率分布；p1(ν)和p1(μ)分别为光子数为1，光脉冲强度为ν和μ的光脉冲概率分布；p2(ν)和p2(μ)分别为光子数为2，光脉冲强度为ν和μ的光脉冲概率分布；
[0025]所述随机性大小采用最小熵表示如下：
[0026]H
min
＝
‑
log
2 p
guess
，
[0027][0028]其中，H
min
为最小熵，p
guess
为最大猜测概率，W为维度目击值，
[0029][0030]通过线性规划的方式求解和得到维度目击值W的下界，进而得
到最大猜测概率p
guess
。
[0031]进一步的，对所述单光子计数率q1(b|x,y)的上界和下界进行修正如下：
[0032]计算增益Q
ω
的上界和下界如下：
[0033][0034][0035]其中，和分别表示增益Q
ω
的上界和下界，ω∈{μ,ν,ο}，σ为标准差，N
ω
为光脉冲强度为ω的脉冲数量；
[0036]基于增益Q
ω
的上界和下界得到修正后的单光子计数率的上界和下界，如下：
[0037][0038][0039]其中，和分别为修正后的单光子计数率的下界和上界。
[0040]本专利技术还提供一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生器系统，包括：
[0041]光源，所述光源用于产生光脉冲并发送至制备方Alice；
[0042]制备方Alice，用于将接收到的光脉冲随机调制为三种强度中的一种，所述三种强度分别为信号态、诱骗态和真空态，用{μ,ν,ο}表示，其中μ＞ν＞ο；以及，用于将调制后的光脉冲随机制备为四种不同的编码态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法，其特征在于，包括：通过光源产生光脉冲并发送至制备方Alice；通过制备方Alice将接收到的光脉冲随机调制为三种强度中的一种，所述三种强度分别为信号态、诱骗态和真空态，用{μ,ν,ο}表示，其中μ＞ν＞ο；通过制备方Alice将调制后的光脉冲随机制备为四种不同的编码态之一，并发送给测量方Bob；其中，编码态记为ρ
x
，x∈{0,1,2,3}，ρ0和ρ1组成一组正交基，ρ2和ρ3组成另一组无偏的正交基；通过测量方Bob随机选择基矢y∈{0,1}对制备方Alice发过来的编码态进行投影测量，得到输出结果b∈{0,1}，投影测量算符记为通过制备方Alice公布调制的光脉冲强度ω，ω∈{μ,ν,ο}和对应的编码态ρ
x
，测量方Bob公布基矢y，计算对编码态ρ
x
使用测量算符得到输出b的概率p(b|x,y)；基于概率p(b|x,y)计算对应光脉冲强度ω下的增益Q
ω
；基于所计算的增益Q
ω
采用诱骗态方法估算信道参数及随机性大小；根据随机性大小在测量结果中提取随机数。2.根据权利要求1所述的一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法，其特征在于，所述光源为以下任意一种类型的光源：弱相干态光源、标记单光子源、修改相干态光源、添加单光子相干态光源、热分布光源和二项分布光源。3.根据权利要求1所述的一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法，其特征在于，所述基于概率p(b|x,y)计算光脉冲强度ω下的增益Q
ω
，包括：其中，p
i
(ω)为光脉冲概率分布，i为脉冲中的光子数i∈{0,1,2,...}，η为整体的传输效率和探测器效率，d为探测器的暗计数。4.根据权利要求3所述的一种基于普适光源的诱骗态量子随机数发生方法，其特征在于，所述基于所计算的增益Q
ω
采用诱骗态方法估算信道参数及随机性大小，包括：所述信道参数为单光子计数率q1(b|x,y)的上界和下界，计算如下：计算如下：其中，和分别表示单光子计数率的下界和上界；p0(ν)和p0(μ)分别为光子数为0，光脉冲强度为ν和μ的光脉冲概率分布；p1(ν)和p1(μ)分别为光子数为1，光脉冲强度为ν和μ的光脉冲概率分布；p2(ν)和p2(μ)分别为光子数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振伟，冯宝，于浩，赵高峰，蒋明，葛红舞，卓文合，卞宇翔，崔亮节，张天兵，胡丹，李洋，陆俊，郭子昕，汪辉，孙圣武，黄国伟，贾玮，
申请(专利权)人：南京南瑞信息通信科技有限公司国网安徽省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：