一种芯片化量子随机数发生装置及发生方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种芯片化量子随机数发生装置，所述量子随机数发生装置包括：自发辐射光源、级联分光波导、弱光探测器和控制电路，自发辐射光源用于基于供电信号发出自发光子；级联分光波导具有单路输入和多路输出；所述弱光探测器为探测器阵列，每一个探测器与所述级联分光波导的一路输出对应；所述控制电路分别接收各个探测器探测到的预定发光周期内的光子数，并基于该光子数生成量子随机数。本发明专利技术通过Y型级联分光波导设计，可兼顾低成本硅基光探测器的使用和光子计数量子随机数的产生速率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种芯片化量子随机数发生装置及发生方法


[0001]本专利技术涉及量子光学领域，具体涉及一种利用量子光学来生成量子随机数的硅光芯片以及相应方法。

技术介绍

[0002]量子随机数是利用量子系统的一些随机特征生成的随机数，其随机性来自于量子力学原理，是本质上的随机数。由于量子随机数的随机性有明确的量子力学理论支撑，可以保证随机数具备原理上的不可预知性。并且相比于经典随机数器件，量子随机数器件具备低功耗，对环境变量不敏感的特点。
[0003]量子随机数发生器按照随机性来源的不同，可以分为以下几种类别：
[0004]1、基于光学系统的量子随机数发生器，如光子路径选择，光子到达时间，光子真空态波动，激光相位波动，激光管辐射模式竞争等。
[0005]2、非光学的量子随机数发生器，如基于隧穿的衰变，pn结散粒噪声，中性原子随机行走等。
[0006]3、基于放射性原子核衰变的量子随机数发生器。
[0007]以上技术路线中，第3种存在辐射安全性和稳定性的问题，第2种存在实现复杂度的问题，难以做成小型化，乃至芯片化。现在大多数的量子随机数器件都是基于第1种光学系统的量子随机数发生器。例如SKT
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IDQ公司已经有消费电子级的量子随机数芯片诞生，并已安装在三星Galaxy Quantum智能手机中。
[0008]根据量子光学理论，光子数探测存在量子随机的散粒噪声(shot noise)，符合泊松分布。在泊松分布中，光子数为N时，其不确定度(即泊松分布的标准差)为N的平方根，即因此光子的散粒噪声为光子数的平方根。由于该散粒噪声完全来源于光子的量子特性，属于量子噪声，将该量子噪声转换为计数就表现为量子随机数。
[0009]但是由于光源的光子数分布存在空间上的高斯分布本底，不同光子数分布的量子噪声差别很大。例如100个光子的量子噪声为即相比总光子数有10％范围的光子计数波动，可以转换为1到10的真随机数。但当光源的光子数较大时，例如10000个光子，量子噪声虽然为但相比总光子仅有1％的光子计数波动，难以分辨。
[0010]因此提取一个高斯分布本底的量子随机数，需要阵列探测器对高斯分布边缘的光子数较少的像素点位置依然敏感，那就要求探测器的灵敏度接近单光子的分辨率，增加成本。或者只选择高斯分布中光子数较多的位置探测，这就牺牲了量子随机数产生的效率。

技术实现思路

[0011]目的
[0012]为了消除光子数的高斯分布产生的本底差异，更好地提取光子数噪声的量子随机数，本专利技术提出了一种利用硅光技术的量子随机数发生装置，该装置包括自发辐射光源、级
联分光波导、硅基弱光探测器、控制(数字电路)四个部分。通过光子在级联分光波导中路径选择的量子随机性，以及光子到达时间的量子随机性，产生包含两种量子随机性的真随机的二进制数，同时级联分光波导可消除光子数在自由空间的高斯分布，让最终到达探测器的光子数分布变得平均。
[0013]具体而言，本专利技术提供了一种量子随机数发生装置，其特征在于，所述量子随机数发生装置包括：自发辐射光源、级联分光波导、弱光探测器和控制电路，
[0014]所述自发辐射光源用于基于供电信号发出自发光子；
[0015]所述级联分光波导具有单路输入和多路输出，所述单路输入用于接收所述自发辐射光源发出的光子，所述单路输入与多路输出之间具有级联的Y型波导，波导的通道数以2的N次方形式递增，其中，N为大于等于2的正整数，表示所述单路输入与多路输出之间的级数；
[0016]所述弱光探测器为探测器阵列，每一个探测器与所述级联分光波导的一路输出对应；
[0017]所述控制电路分别接收各个探测器探测到的预定发光周期内的光子数，并基于该光子数生成量子随机数。
[0018]在一种优选实现方式中，所述自发辐射光源以脉冲形式、周期性向所述级联分光波导的输入发出光脉冲。
[0019]在另一种优选实现方式中，所述弱光探测器的曝光积分时间与所述自发辐射光源的发光时间匹配。
[0020]在另一种优选实现方式中，所述自发辐射光源的频谱展宽小于光速除以所述自发辐射光源与所述弱光探测器之间的最长光路距离，优选地，所述自发辐射光源、级联分光波导、弱光探测器和控制电路均在同一块硅晶圆上加工形成，自发辐射光源、级联分光波导彼此顺序设置。
[0021]在另一种优选实现方式中，所述控制电路将每个探测器接收到的电压信号转换成二进制数字信号，并且提取该数字信号的低比特位作为量子随机数。
[0022]在另一种优选实现方式中，所述控制电路将每个探测器接收到的电压信号转换成8比特的二进制数字信号，并且提取该数字信号的低4位作为量子随机数。
[0023]另一方面，本专利技术提供一种量子随机数产生方法，其特征在于，所述方法包括：
[0024]利用光源发出光子；
[0025]对所述光源发出的光子进行级联式分束，每次分束的输出将原输入通道数目翻倍；
[0026]对级联式分束后的每一个通道中的输出光子进行探测；
[0027]接收各个通道所探测到的预定发光周期内的光子数，并基于该光子数生成量子随机数。
[0028]在一种优选实现方式中，所述光源为自发辐射光源，所述自发辐射光源以脉冲形式、周期性发出光脉冲。
[0029]在另一种优选实现方式中，所述光源的频谱展宽小于光速除以所述光源与对分束后的通道进行探测的探测器之间的最长光路距离。
[0030]在另一种优选实现方式中，将基于所探测到的光子而产生的电压信号转换成二进
制数字信号，并且提取该数字信号的低比特位作为量子随机数。
[0031]需要说明的是，本专利技术所提到的“芯片化”可以指本专利技术的量子随机书发生装置可以通过在单块硅晶圆上直接刻录形成，也可以指通过在不同硅晶圆上分别加工成不同的硅光光源、级联波导、探测器等，然后按顺序设置。
[0032]专利技术原理及技术效果
[0033]在光源处，硅自发辐射光源的发射功率较弱，量子效率远小于普通LED。由于量子随机数要求弱光源，而本专利技术通过采用硅自发辐射光源，因此，光源处无需增加光学衰减器件，只需要通过设置耦合效率就可以实现量子随机数要求的弱光源。同时自发辐射模式众多，由于分光器是硅光波导，考虑到硅光波导的特性，入射光只有和分光波导光轴平行的TE0模、以及光轴垂直的TM0模能够进入分光器传播。因此分光器同时也起到了衰减器的作用，只留下了TE0模和TM0模的功率，将其它光功率隔离在分光波导之外。
[0034]在分光波导里，本专利技术通过Y型级联分光波导设计，可兼顾低成本硅基光探测器的使用和光子计数量子随机数的产生速率，而现有的探测自由空间光子数高斯分布的量子随机数芯片无法同时兼顾两者。来自硅基自发辐射光源的光子进入Y型级联分光波导后，以TE0模式传播(TM0模衰减较快，这里不予考虑)，如附图2，在分叉处产生了一次量子随机，以各1/2的概率走向分光波导的两路。在下一级继续以各1/2的概率走向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芯片化量子随机数发生装置，其特征在于，所述量子随机数发生装置包括：自发辐射光源、级联分光波导、弱光探测器和控制电路，所述自发辐射光源用于基于供电信号发出自发光子；所述级联分光波导具有单路输入和多路输出，所述单路输入用于接收所述自发辐射光源发出的光子，所述单路输入与多路输出之间具有级联的Y型波导，波导的通道数以2的N次方形式递增，其中，N为大于等于2的正整数，表示所述单路输入与多路输出之间的级数；所述弱光探测器为探测器阵列，其中的每一个探测器与所述级联分光波导的一路输出对应；所述控制电路分别接收各个探测器探测到的预定发光周期内的光子数，并基于该光子数生成量子随机数。2.根据权利要求1所述的芯片化量子随机数发生装置，其特征在于，所述自发辐射光源以脉冲形式、周期性向所述级联分光波导的输入发出光脉冲。3.根据权利要求1所述的芯片化量子随机数发生装置，其特征在于，所述弱光探测器为线阵探测器，所述线阵探测器的曝光积分时间与所述自发辐射光源的发光时间匹配。4.根据权利要求1所述的芯片化量子随机数发生装置，其特征在于，所述自发辐射光源的频谱展宽小于光速除以所述自发辐射光源与所述弱光探测器之间的最长光路距离，优选地，所述自发辐射光源、级联分光波导、弱光探测器和控制电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文卓，
申请(专利权)人：杭州舜时科技有限公司，
类型：发明
国别省市：