基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，包括激光二极管，激光二极管的输出端与光衰减器相连，光衰减器的输出端与单光子探测器相连，单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，数据后处理系统输出最终的量子随机数。能把最终比特率提升到大于100Mbps的水平。

【技术实现步骤摘要】
基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器
本专利技术涉及一种无偏的高速量子随机数产生技术，尤其涉及一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器。
技术介绍
随机数发生器是用来产生一个二进制序列随机数的一种器件。当前，随机数在信息
比如量子通信、密码学、身份认证、数字加密、密钥产生等，在仿真计算领域比如蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等，甚至在博彩业以及很多其他领域都有着广泛而重要的应用。根据随机数特性的不同，通常随机数发生器可分为三类：伪随机数发生器、准随机数发生器和真随机数发生器。一般来说，伪随机数是使用一个确定性的数学算法计算出来的随机序列，这种随机数最大的优点是它们的计算不需要外部特殊硬件的支持，所以实际上伪随机数并不随机而且也不可能完全随机。如果计算伪随机数时的初始值(种子)不变的话，那么伪随机数的序列也不变。在一些对随机性要求不是特别苛刻的应用领域中比如数值计算、计算机科学等，只要伪随机数能够通过随机数的一系列统计检验，这种由周期性随机函数所生成的伪随机数序列仍然可以使用。相比较而言，准随机数序列的随机特性没有伪随机数序列好，但是其均匀分布特性要远远好于伪随机数序列，这在一些特殊应用比如蒙特卡洛模拟中非常重要。而真随机数序列应该具备下列的特点：1、不可预测性。即序列中的下一个随机数完全不依赖于序列的历史，其值也不可能被精确地预测出来。2、不可重现性。随机数序列不具有周期性，所以一个足够长的真随机数序列是不可能重复出现的。3、无偏性。即在一个足够长的真随机数序列中，“0”和“1”的比例应该是无限趋向于50:50。真随机数序列是不可能通过数学公式或者算法获得的，只能是从物理系统的随机过程中产生，比如电子学噪声、放射性衰变、宇宙射线、量子物理系统等等。在所有产生真随机数的典型物理系统中，基于量子物理基本原理的量子随机数发生器的随机特性是客观的、明确的，特别适合于量子通信系统。此外，量子通信系统中随机数的安全性也是非常重要的，采用量子随机数发生器系统与量子通信系统无缝衔接，将会有效解决实用化量子通信系统安全性问题。现有技术中，已经出现了基于单光子路径方案的低速量子随机数发生器商业化产品，比如瑞士IDQ公司的产品Quantis，但生成的比特率仅4Mbps。对于一个高速量子通信系统，如果时钟工作频率为1GHz，那么在发射端则需要250个这种商业化的量子随机数发生器，这无疑是不可接受的，在实际中也几乎是无法实现的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数，能把最终比特率提升到大于100Mbps的水平。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器的原理框图；图2是本专利技术中单光子探测信号到达时间的概率分布示意图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例作进一步地详细描述。本专利技术的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其较佳的具体实施方式是：包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数。所述时间测量系统接收所述单光子探测器的探测信号与周期性外部时间参考的时间差，并由此生成均匀分布的原始随机数数据。采用最小熵量化所述原始随机数数据，所述最小熵由以下参数决定：光源亮度、外部参考周期、单光子探测器的计数率以及时间测量系统的时间分辨。所述数据后处理系统采用基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵运算对所述原始随机数数据进行后处理并生成最终的量子随机数，所述Toeplitz矩阵维度的选取由最小熵以及时间槽数量决定。所述数据后处理系统输出的最终量子随机数的最大生成速率由单光子探测器的饱和计数速率以及所述最小熵决定。所述单光子探测器采用普通的商用硅单光子探测器，所述时间测量系统采用普通的商用时间测量电子学系统，最终生成的量子随机数的比特率超过100Mbps。所述单光子探测器采用超高计数率的硅光电倍增器，所述时间测量系统采用高分辨率时间测量系统，最终生成的量子随机数的比特率达到4Gbps。本专利技术的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，通过对单光子探测信号和周期性的外部时间参考进行时间测量得到均匀化的光子到达时间分布，这样产生的原始量子随机数序列的最小熵非常高，接近于1。采用普通的商用硅单光子探测器和商用时间测量电子学系统，最终生成的量子随机数比特率可超过100Mbps，而如果采用超高计数率的硅光电倍增器以及高分辨率时间测量系统，那么最终生成的量子随机数比特率可达到4Gbps。如图1所示，本专利技术通过把单光子在路径空间上的信息转化成光子到达时间的时序信息的手段能够生成更高速率的量子随机数比特串，激光二极管1发射出相干光源，光子数遵从泊松分布，光子流经过光衰减器2后被衰减到单光子水平，通过时间测量系统4测量单光子探测器3的探测信号与周期性外部时间参考的时间差，由此生成的原始随机数数据遵从均匀分布，原始随机数的最小熵接近于1，实验测试中单光子探测信号到达时间的概率分布如图2所示。数据后处理系统5完成原始随机数数据的后处理，后处理程序主要是基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵运算，经过数据后处理系统5后生成最终的量子随机数。最终生成的量子随机数不仅能够通过随机数检验标准如NIST标准、Diehard标准，而且其随机性是得到了信息理论上的证明。在采用同一单光子探测器的基础上，本专利技术提出的高速量子随机数生成方案与传统的基于单光子路径量子随机数生成方案相比，本专利技术的主要优势是随机数生成速率能够提高n倍，n由时间测量系统4的时间测量精度决定。在实验测试中，时间测量系统4的时间分辨精度为160ps，外部时间参考的周期为40.96ns，时间槽的满量程数为256，所以原始随机数数据的位宽为8比特，即每一个单光子探测时间会产生8比特的原始随机数。跟传统的基于单光子路径量子随机数生成方案相比，实验测试中随机数生成速率提高了8倍。在实验测试中硅单光子探测器的饱和计数率为14Mcps，这样原始量子随机数比特率的理论值可达112Mbps，在实际测试中达到109Mbps。通过联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其特征在于，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其特征在于，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数；所述时间测量系统接收所述单光子探测器的探测信号与周期性外部时间参考的时间差，并由此生成均匀分布的原始随机数数据。2.根据权利要求1所述的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其特征在于，采用最小熵量化所述原始随机数数据，所述最小熵由以下参数决定：光源亮度、外部参考周期、单光子探测器的计数率以及时间测量系统的时间分辨。3.根据权利要求2所述的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其特征在于，所述数据后处理系统采用基于快速...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：