一种小型化量子随机数发生器制造技术

本发明专利技术属于量子安全通信技术领域，公开了一种小型化量子随机数发生器，包括空间量子熵源和电子学处理模块，所述空间量子熵源包括脉冲激光器、第一半波片、延时可控偏振合束旋转模块、偏振选择模块、光电探测器；所述电子学处理模块包括模数转换模块和后处理模块。与现有技术相比，本发明专利技术采用延时可控偏振合束旋转模块，提高了干涉的稳定性和可靠性；通过调节滞后光脉冲信号的偏振态来控制其延时，可以使光脉冲信号多次经过相同的环形结构来增加延时，大大降低了保证较长臂长差所需的空间，且臂长差可根据实际需求进行任意调节，使得量子随机数发生器结构简单紧凑，易于小型化，并且具有较高的稳定性。较高的稳定性。较高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种小型化量子随机数发生器


[0001]本专利技术涉及量子安全通信
，特别涉及一种小型化量子随机数发生器。

技术介绍

[0002]随着社会经济的高速发展，随机数在信息安全、仿真模拟等领域起到了越来越重要的作用。量子随机数发生器（QRNG）根据量子力学的基本原理，利用量子世界的真随机特性来产生真随机数。激光自发辐射的量子相位涨落是QRNG最为常用的量子光学原理，其随机性来自于激光器自发辐射过程产生光信号所包含的随机相位涨落，一般是将相位涨落转换为光强涨落通过光电探测器探测后得到原始随机比特，并经过后处理产生的随机数是完全无法预测的，因此具有真随机性，也是目前研究较为成熟的量子随机数产生方案。
[0003]现有基于激光自发辐射相位涨落的随机数发生器方案一般采用连续光源，需要使用不等臂干涉仪，实现对光源的延时自干涉，将光源的相位涨落转换成强度涨落。然而不等臂干涉仪结构存在不稳定性，由于其长短臂之间存在相位漂移，需要进行相位补偿来维持干涉的稳定性，需要通过单个光电探测器监测光强来进行相位反馈控制，如专利CN108762723A和CN114579082B等。另一种现有技术采用脉冲光源，利用光源产生的不同光脉冲具有随机相位的特性，通过不等臂干涉仪来测量不同脉冲之间的干涉结果将随机相位转化为随机光强，以产生随机数，如专利CN109240645A和CN205334452U。但是由于该方案要求干涉仪臂长差大于相干长度，且臂长差越长，干涉的两个脉冲之间的相位关联越小，而臂长差越长会导致光纤长度增加，进而导致尺寸增大，脉冲干涉重叠度降低，使得干涉稳定性下降。干涉仪结构固定，臂长差是确定的，无法根据实际需要来灵活调节。另外，由于采用分立的光纤器件搭建，导致量子随机数发生器体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产。若采用紧凑的空间光器件，可以提升系统的集成度，便于量子随机数发生器的小型化；但是由于干涉要求的臂长差较长，因此所需空间较大，导致小型化困难。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在以上缺陷，本专利技术提出一种小型化量子随机数发生器。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种小型化量子随机数发生器，包括空间量子熵源和电子学处理模块，所述空间量子熵源包括脉冲激光器、第一半波片、延时可控偏振合束旋转模块、偏振选择模块、光电探测器；所述电子学处理模块包括模数转换模块和后处理模块；脉冲激光器用于产生水平偏振的光脉冲信号；光脉冲信号垂直入射第一半波片；第一半波片的主轴方向与水平方向成22.5
°
，用于将光脉冲信号的偏振态旋转45
°
；延时可控偏振合束旋转模块的光入射界面、出射界面分别与第一半波片的光出射界面、偏振选择模块的光入射界面平行；
延时可控偏振合束旋转模块用于将45
°
偏振的光脉冲信号偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量，将第二偏振分量延时后与第一偏振分量进行偏振合束并旋转45
°
，以及通过调节第二偏振分量的偏振态来控制其延时；偏振选择模块用于使延时可控偏振合束旋转输出光信号的特定偏振分量通过，产生待测随机光强信号；光电探测器用于将待测随机光强信号转换为随机电信号；模数转换模块用于将随机电信号进行模数转换，产生初始随机比特；后处理模块用于将输入的初始随机比特通过后处理算法进行随机性提取，输出提取后的量子随机数。
[0006]优选地，延时可控偏振合束旋转模块包括第一偏振分束器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第一电控旋转半波片和第二半波片，第一偏振分束器的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片的光出射界面、第二半波片的光入射界面平行；第一偏振分束器的偏振反射界面与第二直角棱镜的长边所在界面平行；第一偏振分束器的第二光入射界面与第一直角棱镜的长边所在界面平行，且二者之间平行放置有第一电控旋转半波片；第一电控旋转半波片可以通过电信号控制其主轴方向与水平方向夹角为0
°
或45
°
；第二半波片的主轴方向与水平方向夹角为22.5
°
。
[0007]优选地，延时可控偏振合束旋转模块包括第一偏振分束器、第一直角棱镜、第三直角棱镜、第二半波片、第三半波片、第四半波片和相位调制器，第一偏振分束器的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片的光出射界面、第四半波片的光入射界面平行；第一偏振分束器的偏振反射界面与第二半波片的光入射界面平行；第一偏振分束器的第二光入射界面与第一直角棱镜的长边所在界面平行，且二者之间平行放置有第三半波片；第三直角棱镜的两条直角边所在界面分别与第四半波片的光出射界面、第一直角棱镜的长边所在界面平行；第三直角棱镜与第一直角棱镜之间垂直放置有相位调制器；第二半波片、第三半波片和第四半波片的主轴方向与水平方向夹角均为22.5
°
；相位调制器用于调制经过其光信号的TE模式和TM模式之间的相位差分别为0或π。
[0008]优选地，偏振选择模块为起偏器，用于仅使水平偏振的光信号通过。
[0009]优选地，延时可控偏振合束旋转模块包括第一偏振分束器、第四直角棱镜、第五直角棱镜、第三半波片、相位调制器、四分之一波片和反射镜，以及复用的第一半波片，第一偏振分束器的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片的光出射界面、反射镜的界面平行；第一偏振分束器的第二光入射界面与第五直角棱镜的一条直角边所在界面平行；第一偏振分束器的偏振反射界面与第四直角棱镜的一条直角边所在界面平行，且二者之间平行放置有第三半波片；第四直角棱镜的另一条直角边所在界面、第五直角棱镜的另一条直角边所在界面
均与反射镜的界面平行；第四直角棱镜与反射镜之间依次放置有相位调制器、四分之一波片；第三半波片的主轴方向与水平方向夹角均为22.5
°
；四分之一波片的主轴方向与水平方向夹角为45
°
；相位调制器用于调制经过其光信号的TE模式和TM模式之间的相位差分别为0或π。
[0010]优选地，延时可控偏振合束旋转模块包括第一偏振分束器、第四直角棱镜、第五直角棱镜、电控旋转四分之一波片和反射镜，以及复用的第一半波片，第一偏振分束器的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片的光出射界面、反射镜的界面平行；第一偏振分束器的第二光入射界面与第五直角棱镜的一条直角边所在界面平行；第一偏振分束器的偏振反射界面与第四直角棱镜的一条直角边所在界面平行，且二者之间平行放置有电控旋转四分之一波片；第四直角棱镜的另一条直角边所在界面、第五直角棱镜的另一条直角边所在界面均与反射镜的界面平行；电控旋转四分之一波片可以通过电信号控制其主轴方向与水平方向夹角为0
°
或45
°
。
[0011]优选地，延时可控偏振合束旋转模块包括第一偏振分束器、第四直角棱镜、第五直角棱镜、第二电控旋转半波片和反射镜，以及复用的第一半波片，第一偏振分束器的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片的光出射界面、反射镜的界面平行；第一偏振分束器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型化量子随机数发生器，其特征在于，包括空间量子熵源（1）和电子学处理模块（2），所述空间量子熵源包括脉冲激光器（1
‑
1）、第一半波片（1
‑
2）、延时可控偏振合束旋转模块（1
‑
3）、偏振选择模块（1
‑
4）、光电探测器（1
‑
5）；所述电子学处理模块（2）包括模数转换模块（2
‑
1）和后处理模块（2
‑
2）；脉冲激光器（1
‑
1）用于产生水平偏振的光脉冲信号；光脉冲信号垂直入射第一半波片（1
‑
2）；第一半波片（1
‑
2）的主轴方向与水平方向成22.5
°
，用于将光脉冲信号的偏振态旋转45
°
；延时可控偏振合束旋转模块（1
‑
3）的光入射界面、出射界面分别与第一半波片（1
‑
2）的光出射界面、偏振选择模块（1
‑
4）的光入射界面平行；延时可控偏振合束旋转模块（1
‑
3）用于将45
°
偏振的光脉冲信号偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量，将第二偏振分量延时后与第一偏振分量进行偏振合束并旋转45
°
，以及通过调节第二偏振分量的偏振态来控制其延时；偏振选择模块（1
‑
4）用于使延时可控偏振合束旋转输出光信号的特定偏振分量通过，产生待测随机光强信号；光电探测器（1
‑
5）用于将待测随机光强信号转换为随机电信号；模数转换模块（2
‑
1）用于将随机电信号进行模数转换，产生初始随机比特；后处理模块（2
‑
2）用于将输入的初始随机比特通过后处理算法进行随机性提取，输出提取后的量子随机数。2.如权利要求1所述的小型化量子随机数发生器，其特征在于，延时可控偏振合束旋转模块（1
‑
3）包括第一偏振分束器（1
‑3‑
1）、第一直角棱镜（1
‑3‑
2）、第二直角棱镜（1
‑3‑
3）、第一电控旋转半波片（1
‑3‑
4）和第二半波片（1
‑3‑
5），第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片（1
‑
2）的光出射界面、第二半波片（1
‑3‑
5）的光入射界面平行；第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的偏振反射界面与第二直角棱镜（1
‑3‑
3）的长边所在界面平行；第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的第二光入射界面与第一直角棱镜（1
‑3‑
2）的长边所在界面平行，且二者之间平行放置有第一电控旋转半波片（1
‑3‑
4）；第一电控旋转半波片（1
‑3‑
4）可以通过电信号控制其主轴方向与水平方向夹角为0
°
或45
°
；第二半波片（1
‑3‑
5）的主轴方向与水平方向夹角为22.5
°
。3.如权利要求1所述的小型化量子随机数发生器，其特征在于，延时可控偏振合束旋转模块（1
‑
3）包括第一偏振分束器（1
‑3‑
1）、第一直角棱镜（1
‑3‑
2）、第三直角棱镜（1
‑3‑
6）、第二半波片（1
‑3‑
5）、第三半波片（1
‑3‑
7）、第四半波片（1
‑3‑
8）和相位调制器（1
‑3‑
9），第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的第一光入射界面、偏振透射界面分别与第一半波片（1
‑
2）的光出射界面、第四半波片（1
‑3‑
8）的光入射界面平行；第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的偏振反射界面与第二半波片（1
‑3‑
5）的光入射界面平行；第一偏振分束器（1
‑3‑
1）的第二光入射界面与第一直角棱镜（1
‑3‑
2）的长边所在界面平行，且二者之间平行放置有第三半波片（1
‑3‑
7）；
第三直角棱镜（1
‑3‑
6）的两条直角边所在界面分别与第四半波片（1
‑3‑
8）的光出射界面、第一直角棱镜（1
‑3‑
2）的长边所在界面平行；第三直角棱镜（1
‑3‑
6）与第一直角棱镜（1
‑3‑
2）之间垂直放置有相位调制器（1
‑3‑
9）；第二半波片（1
‑3‑
5）、第三半波片（1
‑3‑
7）和第四半波片（1
‑3‑
8）的主轴方向与水平方向夹角均为22.5
°
；相位调制器（1
‑3‑
9）用于调制经过其光信号的TE模式和TM模式之间的相位差分别为0或π。4.如权利要求2或3所述的小型化量子随机数发生器，其特征在于，偏振选择模块（1
‑
4）为起偏器，用于仅使水平偏振的光信号通过。5.如权利要求1所述的小型化量子随机数发生器，其特征在于，延时可控偏振合束旋转模块（1

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，张玲松，
申请(专利权)人：北京正道量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：