CN102760052B - 基于光子空间和时间随机性的随机源及随机数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子空间和时间随机性的随机源及随机数提取方法，随机源包括光源，可调光阑，积分球，基于MCP的单光子探测器，光子到达位置坐标和时间同步测量电路，随机位提取模块。光源发出的光，经过可调光阑后进入积分球，积分球输出均匀的光，由于光子的位置坐标和光子的到达时间的随机性，利用随机位提取模块对数据处理，可提取随机位。本发明解决了目前光量子随机源技术需要复杂的后处理，产生随机数效率低，速率慢技术问题，提供一种基于光子空间和时间随机性的光量子随机源及随机数提取方法，具有速度快、效率高、相关系数小的优点。

Description

基于光子空间和时间随机性的随机源及随机数提取方法

技术领域

本发明属于随机信号源技术领域，尤其涉及一种光量子随机源的技术。

背景技术

近年来，利用光量子过程中内在随机性产生随机数的光量子随机源成为研究热点。多数文献报道的光量子随机源利用光子通过光学分束器的空间随机性来产生随机数。如文献（廖静、梁创、魏亚军、吴令安、潘少华2001物理学报50467）通过透射率和反射率各为50%的光学分束器将入射光子分成两路，如发明专利（申请号：200410016009.8，一种量子真随机源）通过偏振分束器将45°偏振的线偏振光子分成垂直偏振和水平偏振两路，然后利用两个探测器分别接收两路的光子。由于一个光子只能随机的走一条路径，从而产生随机数，每个光子只能产生一个随机位。由于光子经过两条不同的路径，两个单光子探测器的探测效率存在差异以及无法实现精确的50:50的分束,随机数中“1”和“0”出现的概率将出现偏差，因此需要复杂的后续处理来获得随机数，且产生随机数的效率低。参考文献（廖静、梁创、魏亚军、吴令安、潘少华2001物理学报）利用Huffman编码的方法对获得的随机位序列进行后处理改善偏差。部分文献报道的光量子随机源利用极微弱光中光子通过一个单光子探测器的时间随机性来产生随机位。如专利（申请号：201110031771.3，一种真随机数产生方法及装置）利用相邻单光子脉冲时间间隔大小的随机性来产生随机位，文献（FürstM,WeierH,NauerthS,MarangonDG,KurtsieferCWeinfurterH2010Opt.Exp.181302）利用等时间间隔内单光子脉冲数奇偶性来产生的随机位，文献（WeiW,GuoH,2009.Opt.Lett.341876）利用高重复频率激光脉冲周期内探测到的光子数来产生随机位，以上方法只利用光子到达的时间随机性，每个光子只能产生一个随机位，或多个光子产生一个随机位，所以产生的随机位的效率较低，另一方面通过测量相邻光子的时间间隔大小和等时间间隔内的光子数，由于测量精度的影响，与相邻光子到达时间的测量相关，所以产生的随机数相关系数大。目前文献报道的光量子随机源多采用死时间为50-1000ns，工作在盖革模式的雪崩光电二(APD)为单光子探测器，因此产生随机位的速率较低。

发明内容

本发明针对目前光量子随机源技术需要复杂的后处理，产生随机数效率低，速率慢技术问题，本发明提供一种基于光子空间和时间随机性的光量子随机源，一种高效，高速的光量子随机源，同时利用了光子到达的空间随即性和时间随机性。

本发明的技术解决方案：

一种基于光子空间和时间随机性的光量子随机源，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的光源，可调光阑，积分球和单光子探测器，还包括光子到达位置和时间同步测量电路以及随机位提取模块,

所述单光子探测器为基于MCP的单光子探测器，包括陶瓷管壳、接收积分球发射信号的设置在陶瓷管壳一端的入射窗、设置在陶瓷管壳中心的与入射窗平行设置的级联微通道板、设置在陶瓷管壳另一端的陶瓷基底、位敏阳极以及阳极基底，所述陶瓷基底位于陶瓷管壳的一侧设置有锗层，所述位敏阳极设置在陶瓷基底的另一侧，所述阳极基底设置在位敏阳极的另一侧，

所述位敏阳极通过阳极基底输出多路电流脉冲给光子到达位置和时间同步测量电路，所述光子到达位置和时间同步测量电路的输出端与随机位提取模块连接。

上述随机位提取模块包括数据读取模块、X、Y坐标计算模块、时间计算模块，基于空间随机性的提取模块、基于时间随机性的提取模块以及随机数合并模块，所述数据读取模块的输入端与光子到达位置和时间同步测量电路的输出端连接，所述数据读取模块的输出端分两路，其中一路通过X、Y坐标计算模块和基于空间随机性的提取模块与随机数合并模块连接，另一路通过时间计算模块和基于时间随机性的提取模块与随机数合并模块连接。

上述光子到达位置和时间同步测量电路包括前置处理单元，前置放大器主放大器、光子到达定时信号产生电路、脉冲峰值同步采集单元、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路、可编程逻辑器件FPGA、数字信号处理器DSP、时间数字转换器芯片TDC和通信接口电路，

所述前置处理单元包括多路并联前置处理电路，所述前置处理电路包括串联的前置放大器和主放大器大器，

所述光子到达定时信号产生电路包括多路脉冲求和电路、峰值检测电路、低阈值比较电路、高阈值比较电路和D触发器F1，所述多路脉冲求和电路为连接成求和形式的运算放大器U1，所述运算放大器U1的输入端接收多路主放大器输出的多路脉冲信号，所述运算放大器U1输出求和信号分别发送到峰值检测电路、低阈值比较电路和高阈值比较电路；所述峰值检测电路由电阻R4、电容C1和第一比较器U2组成；所述低阈值比较电路由第一电位器R5和第二比较器U3组成；所述高阈值比较电路由第二电位器R6和第三比较器U4组成；峰值检测电路输出至D触发器F1的CLK端，低阈值比较电路输出至D触发器F1的D端，所述D触发器F1的Q端输出光子到达定时信号，所述D触发器F1的Q端依次通过第一非门U6、第二非门U7后再与高阈值比较电路的输出信号均通过或门U5，或门U5的输出端接D触发器F1的RST端；

所述脉冲峰值同步采集单元包括多路并联的脉冲峰值采集电路，所述脉冲峰值采集电路包括依次串联的峰值保持芯片、放大器和A/D变换器，所述峰值保持芯片的输入端与主放大器输出端连接，所述放大器接成跟随器方式，所有A/D变换器的启动变换端CLK连接在一起后与可编程逻辑器件FPGA相连，所述峰值保持芯片的保持/泻放端连接在一起后与可编程逻辑器件FPGA相连，所述脉冲峰值采集单元通过A/D变换器与可编程逻辑器件FPGA相互通信，

所述开始信号产生电路的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

所述恒温晶振时钟电路OCXO的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

所述时间数字转换器芯片TDC与可编程逻辑器件FPGA相互通信，

所述数字信号处理器DSP与可编程逻辑器件FPGA相互通信，所述可编程逻辑器件FPGA通过通信接口电路与计算机连接；

所述可编程逻辑器件FPGA包括峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数据缓存单元和通信控制单元；

所述峰值采集控制单元用于控制脉冲峰值采集单元对所输入的脉冲峰值进行峰值同步测量，并将测量的峰值数据传输给位置解码单元；

所述位置解码单元用于与数字信号处理器DSP配合求解出光子的位置坐标数据；

所述时间测量单元与时间数字转换器芯片TDC配合，测量出光子的到达时间数据；

所述数据缓存单元用于存储光子的位置坐标数据和光子的到达时间数据；

所述通信控制单元用于控制数据缓存单元将光子的到达时间数据和光子的位置坐标数据发送到计算机；

所述时间测量单元包括计数器、控制逻辑单元和时间计算单元，光子到达定时信号、开始信号产生电路的开始信号以及同步信号输入控制逻辑单元，恒温晶振时钟电路的时钟信号、开始信号产生电路的开始信号、控制逻辑单元的控制信号输入计数器，时间数字转换器芯片TDC、计数器以及控制逻辑单元的输出端与时间计算单元连接。

上述光源为氘灯、氙灯、发光二级管或激光器。

上述位敏阳极为电阻阳极，楔条形阳极、延时线阳极、游标阳极、交叉条纹阳极或多阳极微通道阵列。

上述恒温晶振时钟电路的时钟信号输入时间数字转换器芯片TDC的start端，开始信号产生电路的开始信号输入时间数字转换器芯片TDC的stop1端，光子到达定时信号输入时间数字转换器芯片TDC的stop2端。

上述恒温晶振时钟电路OCXO采用MDB59P3T，所述峰值保持芯片是PKD01芯片，所述A/D变换器是AD9240芯片，所述时间数字转换器芯片TDC为TDC-GPX芯片。

一种基于上述的随机源的随机数提取方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】产生随机源：

1.1】光源发出光，经过可调光阑输出单光子源，单光子源经过积分球后输出均匀单光子源，均匀单光子源输入至单光子探测器；

1.2】均匀单光子源经过单光子探测器的入射窗后，经光电阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过级联微通道板倍增，形成电荷云团，电荷云团经过电场加速后，被锗层接收,产生镜像电荷；

1.3】位敏阳极感应镜像电荷后输出多路电流脉冲信号；

2】对多路电流脉冲信号分别进行放大和整形；

3】放大和整形后的多路电流脉冲信号，用于产生光子到达定时信号，同时进行多路脉冲峰值的同步采集；

其中，产生光子到达定时信号的方法：对输入的多路电流脉冲信号进行求和，求和后输出的脉冲幅度在高阈值和低阈值之间，同时检测到脉冲峰值时，则产生输出方波脉冲信号，上升沿代表光子到达时刻；

其中，多路脉冲同步峰值采集的方法：对输入的多路电流脉冲信号进行峰值保持，利用光子到达定时信号触发同步数模变换信号,从而同步采集多路脉冲峰值，并缓存峰值数据，采集完后，同步泻放掉保持的多路脉冲峰值，以对下一次输入的多路脉冲进行峰值采集；

4】手动触发或软件触发或外部触发产生一个开始信号，开始信号的上升沿代表开始测量时刻；

5】开始信号产生后，光子到达定时信号，一方面触发同步数模变换信号采集多路脉冲峰值；另一方面作为光子到达的定时信号，用于测量光子的到达时间；

其中，测量光子的到达时间的方法：先测量出所有到达光子的同一起始时刻t₀，利用计数器对高频时钟进行计数测量粗时间T_n，利用高精度时间数字转换器测量出光子到达定时信号与时钟最近输出脉冲的时间间隔t_n,t_n代表光子到达的细时间，则光子到达的时间用下式表示：

光子的到达时间=T_n+t_n-t₀，其中n=1,2,3…；

6】采集出多路脉冲的峰值后，根据多路脉冲峰值数据和探测器阳极的解码方法，求解出光子的位置坐标；

7】步骤6】中得到的光子的位置坐标和步骤5】中光子到达时间以同步的方式存到缓存数据缓存单元，并通过通信接口电路输出给随机位提取模块进行随机数提取处理：

8】通过通信接口电路连续读取光子的位置坐标数据和光子到达时间数据到计算机内存；

9】通过坐标数据转换模块对光子的位置坐标数据进行转换得到浮点数表示的光子的X、Y坐标；通过时间数据转换模块对光子到达时间数据进行转换得到浮点数表示的光子到达时间t；

10】基于空间随机性的随机数提取模块对浮点数表示的光子的X、Y坐标进行随机数提取得到基于空间随机性的随机数；同时基于时间随机性的随机数提取模块对浮点数表示的光子到达时间t进行随机数提取得到基于时间随机性的随机数；

11】将步骤10】得到的基于空间随机性的随机数和基于时间随机性的随机数通过随机数合并模块得到基于空间和时间的随机数。

所述步骤10】中提取空间随机性的随机数的具体方法为：

10.1】在单光子探测器的入射窗选择一矩形区域，并针对所有从该矩形区域通过的光子进行空间随机性的随机位提取，所述矩形区域的大小应不超出单光子探测器的入射窗的大小；

10.2】将步骤10.1】所选矩形区域沿其长度X方向均匀的分为成n个等份，且其中每个等份的宽度为x_bin，则有：

X=n×x_bin

对每个等份进行随机位编码，其中n大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.3】从上述矩形区域的范围通过的每一个光子，根据所测的光子的横坐标x值，如果满足下式，

(i-1)×x_bin≤x<(i+1)×x_bin(1≤i≤n)

则第i等份所对应的编码为该光子到达横坐标x所提取的随机数；

10.4】将矩形区域沿宽度Y的方向均匀的分为m个等份，且其中每个等份宽度为y_bin，则有：

Y=m×y_bin

对每个等份进行随机位编码，其中m大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.5】从上述矩形区域的范围内通过的每一个光子，根据所测的光子的纵坐标y，如果满足下式，

(j-1)×y_bin≤y<(j+1)×y_bin(1≤j≤m)

则第j等份所对应的编码为该光子到达位置坐标y所对应的提取的Y随机数。

上述步骤10】中基于时间随机性的随机数提取具体方法为：

10.a】选择一定的时间长度作为一个周期，将周期T均匀的分为p个等份，且每个等份的宽度为t_bin，则有：

T=p×t_bin

对每个等份进行随机位编码,其中p大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.b】将每一个光子的浮点数表示的光子到达时间t表示成整数个周期T和一个相位的和如下式：

T为周期，为相位，

10.c】每一个光子的到达时间所对应的相位值，如果满足下式，

则第q等份对应的编码为该浮点数表示的光子到达时间t所提取的随机数。

本发明所具有的优点：

1、效率高。本发明光量子随机源，同时利用光子到达的空间随即性和时间随机性的方案产生随机数。本发明所采用的随机位提取算法，每一个光子到达时间可以产生多个随机位。每一个光子到达位置坐标可以产生多个随机位。因此一个光子可产生很多随机位，产生随机位的效率很高。

2、速度快。无论是利用光子的空间随机性还是时间随机性，光量子随机源都是利用探测器输出的脉冲来产生随机位，因此随机位的产生速率主要受单光子探测器输出脉冲速度，即死时间的限制。目前文献报道的光量子随机源多采用死时间为50-1000ns，工作在盖革模式的雪崩光电二(APD)为单光子探测器，因此产生随机位的速率较低。而基于MCP的单光子探测器属于电真空器件，具非常高的处理速度，死时间可达几百个皮秒。因此本发明光量子随机源具有非常高的随机数产生速率。

3.相关系数小。相关系数是衡量随机数随机性的一个关键指标。本发明利用光子到达时间的随机性产生随机数时，所测量的光子到达时间，是对于同一起始时刻光子到达时间，与相邻光子到达时刻不相关，所以产生的随机数相关系数小。

附图说明

图1为本发明基于光子空间和时间随机性的光量子随机源；

图2为本发明随机数提取模块的工作过程示意图；

图3为本发明光子到达位置坐标和时间同步测量电路的结构示意图；

图4为本发明光子到达定时电路的原理图；

图5为本发明多路脉冲峰值同步采集电路原理图；

图6为本发明开始信号产生电路图；

图7为本发明恒温晶振时钟电路（OCXO）输出；

图8为本发明FPGA峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数据缓存和传输的工作原理图；

图9为基于空间随机性的随机数提取方法示意图；

图10为基于时间随机性的随机数提取方法示意图；

其中附图标记为：1-光源，2-可调光阑，3-积分球，4-光子到达位置坐标和时间同步测量电路，5-随机位提取模块，61-入射窗，62-光电阴极，63-级联微通道板，64-陶瓷管壳，65-锗层，66-陶瓷基底，67-位敏阳极，68-阳极基底，F1-D触发器，U1-运算放大器，R4-电阻，C1-电容，U2-第一比较器，R5-第一电位器，U3-第二比较器，R6-第二电位器，U4-第三比较器，U6-第一非门，U7-第二非门，U5-或门。

具体实施方式

现结合附图来说明

如图1所示，一种基于光子空间和时间随机性的光量子随机源，至少包括光源，可调光阑，积分球，基于MCP的单光子探测器，光子到达位置坐标和时间同步测量电路，随机位提取模块。其中基于MCP的单光子探测器包括入射窗61，光电阴极62，级联微通道板63，陶瓷管壳61，锗层65，陶瓷基底66，位敏阳极67，阳极基底68。

如图2所示，随机位提取模块包括数据读取模块、X、Y坐标数据转换模块、时间数据转换模块，基于空间随机性的提取模块、基于时间随机性的提取模块以及随机数合并模块，所述数据读取模块的输入端与光子到达位置和时间同步测量电路的输出端连接，所述数据读取模块的输出端分两路，其中一路通过X、Y坐标数据转换模块和基于空间随机性的提取模块与随机数合并模块连接，另一路通过时间数据转换模块和基于时间随机性的提取模块与随机数合并模块连接。

如图3所示，光子到达位置坐标和时间同步测量电路，包括前置放大器、主放大器、光子到达定时信号产生电路、多路脉冲峰值同步采集电路、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路、可编程逻辑器件FPGA、数字信号处理器DSP、时间数字转换器芯片TDC和通信接口电路。

如图4所示，光子到达定时信号产生电路包括多路脉冲求和电路、峰值检测电路、低阈值比较电路、高阈值比较电路和D触发器F1，所述多路脉冲求和电路为连接成求和形式的运算放大器U1，所述运算放大器U1的输入端接收探测器输出的多路脉冲信号，所述运算放大器U1输出求和信号分别发送到峰值检测电路、低阈值比较电路和高阈值比较电路；所述峰值检测电路由电阻R4、电容C1和第一比较器U2组成；所述低阈值比较电路由第一电位器R5和第二比较器U3组成；所述高阈值比较电路由第二电位器R6和第三比较器U4组成；峰值检测电路输出至D触发器F1的CLK端，低阈值比较电路输出至D触发器F1的D端，所述D触发器F1的Q端输出光子到达定时信号，所述D触发器F1的Q端依次通过第一非门U6、第二非门U7后再与高阈值比较电路的输出信号均通过或门U5，或门U5的输出端接D触发器F1的RST端；

如图5所示，多路脉冲峰值采集单元包括多路并联的脉冲峰值采集电路，所述脉冲峰值采集电路包括依次串联的峰值保持芯片、放大器和A/D变换器，所述峰值保持芯片的输入端与主放大器输出端相连，放大器采用跟随器方式，所有A/D变换器的启动变换端CLK连在一起，与可编程逻辑器件FPGA相连，所述峰值保持芯片的保持/泻放端连接在一起，与可编程逻辑器件FPGA相连，所述脉冲峰值采集单元通过A/D变换器与可编程逻辑器件相互通信，

开始信号产生电路的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

恒温晶振时钟电路OCXO的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

时间数字转换器芯片TDC与可编程逻辑器件FPGA相互通信，

数字信号处理器DSP与可编程逻辑器件FPGA相互通信，所述可编程逻辑器件FPGA通过通信接口电路与计算机连接；

可编程逻辑器件FPGA包括峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数据缓存单元和通信控制单元；

峰值采集控制单元用于控制脉冲峰值采集单元对所输入的脉冲峰值进行峰值同步测量，并将测量的峰值数据传输给位置解码单元；

位置解码单元用于与数字信号处理器DSP配合求解出光子的位置坐标数据；

时间测量单元与时间数字转换器芯片TDC配合，测量出光子的到达时间数据；数据缓存单元用于存储光子的位置坐标数据和光子的到达时间数据；通信控制单元用于控制数据缓存单元将光子的到达时间数据和光子的位置坐标数据发送到计算机；时间测量单元包括计数器、控制逻辑单元和时间计算单元，光子到达定时信号、开始信号产生电路的开始信号以及同步信号输入控制逻辑单元，恒温晶振时钟电路的时钟信号、开始信号产生电路的开始信号、控制逻辑单元的控制信号输入计数器，时间数字转换器芯片TDC、计数器以及控制逻辑单元的输出端与时间计算单元连接。

本发明的工作原理为：

光源发出的光，经过可调光阑后进入积分球，积分球输出均匀的光，可调光阑的作用是用于调节光强，可使系统工作在单光子态，产生单光子源。积分球的作用是使光强在空间分布上均匀，使探测器输入面探测到光子的几率相同。采用基于MCP的位敏阳极单光子探测器来接收积分球输出的均匀光，光子经过探测器的入射窗后，经光电阴极产生光电效应，以一定的量子效率发射光电子，光电子经过级联的微通道板倍增，形成电荷云团.电荷云团经过电场加速后，被陶瓷锗层接收。由于电荷镜像的原理，位敏阳极上的互相绝缘的条形电极将感应镜像电荷.各组电极感应镜像电荷的电荷量可以近似为与电荷云团直接被电极收集时，覆盖的面积成正比关系。位敏阳极感应镜像电荷后输出电流脉冲。因此根据探测器输出的电流脉冲，可求解出各电极收到的电荷量，进而可求解电荷云团的质心位置。电荷云团质心的位置对应了所探测到光子的位置坐标。探测器输出电流脉冲的时刻，对应了光子的到达时间。因此通过设计光子的到达位置和时间同步测量电路，可同时记录了每一个探测到光子的二维坐标和到达时间。由于光子的位置坐标和光子的到达时间的随机性。利用随机位提取模块对数据处理，可提取随机位。

光子到达位置坐标和时间同步测量的电路：本实例采用基于MCP探测器WSA位敏阳极探测器为例进行说明，光子到达位置坐标和时间同步测量的电路包括三路前置放大器、三路主放大器，光子到达定时信号产生电路、多路脉冲峰值同步采集电路、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路OCXO，FPGA、DSP、TDC芯片和USB2.0通信接口电路。

光子到达位置坐标和时间同步测量的工作过程：

1】基于MCP的单光子探测器输出多路电流脉冲信号；

2】对多路电流脉冲信号分别进行放大和主放大器整形；

3】放大和整形后的多路脉冲信号，用于产生光子到达定时信号。

产生光子到达定时信号的方法：对输入的多路脉冲信号进行求和，求和后输出的脉冲幅度在高阈值和低阈值之间，同时检测到脉冲峰值时，则产生输出方波脉冲信号，上升沿代表光子到达时刻；

4】多路脉冲信号分别进行放大和整形后，进行多路脉冲峰值的同步采集。

多路脉冲同步峰值采集的方法：对输入的多路脉冲信号进行峰值保持，利用光子到达定时信号触发同步数模变换信号,从而同步采集的多路脉冲峰值，并缓存峰值数据，采集完后，同步泻放掉保持的多路脉冲峰值，以对下一次输入的多路脉冲进行峰值采集；

5】开始信号产生电路产生一个开始信号，信号上升沿代表开始测量时刻；

6】恒温晶振时钟电路OCXO产生高频率高稳定度的时钟信号；

7】开始信号产生后，光子到达定时信号，一方面触发同步数模变换信号采集多路脉冲峰值；另一方面作为光子到达的定时信号，输入时间测量单元用于测量光子的到达时间；

测量光子到达的时间为，先测量出所有到达光子的同一起始时刻t0，利用计数器对高频时钟进行计数测量粗时间Tn，利用高精度时间数字转换器测量出光子定时信号与时钟最近输出脉冲的时间间隔tn,tn代表光子到达的细时间。因此光子到达的时间可以用下式表示

光子的到达时间=T_n+t_n-t₀其中，n=1,2,3…

7】采集出多路脉冲的峰值后，峰值的大小代表各电极感应电荷的大小。根据多路脉冲峰值数据和探测器阳极的解码方法，求解出光子的位置坐标；

WSA位敏阳极的光子位置的解码方法为：

X=（2×Q1)/(Q1+Q2+Q3)Y=（2×Q2)/(Q1+Q2+Q3)

其中Q1为位敏阳极S极感应的电荷量，Q2为位敏阳极W极感应的电荷量，Q3为位敏阳极Z极感应的电荷量。

8】光子的位置坐标数据和光子到达时间数据以同步的方式存到缓存。缓存中的数据在USB通信控制模块的控制下，通过USB2.0接口电路，发送到计算机。

本实例采用基于MCP探测器WSA位敏阳极探测器为例进行说明，WSA阳极有三路输出，因此光子到达位置和时间的侧量电路输入为三路，不能认定本发明的具体实施方式仅限于WSA阳极位敏阳极读出的MCP探测器。

随机位提取模块工作过程为：

1.通过计算机的USB接口，连续读取光子的位置坐标数据和光子到达时间数据到计算机内存，采用内存交换技术实现数据的连续读取。

2.通过对光子的位置坐标数据数据进行转换，获得浮点数表示的的X、Y坐标，然后输入基于空间随机性的随机数提取模块提取随机数。

3.通过对光子到达时间数据进行转换。获得浮点数表示的时间t,输入时间随机性的随机数提取模块提取随机数。

4.2和3同步执行。

5.随机数合并模块将上述步骤2和3所产生的随机数进行合并。

基于光子到达空间随机性的随机数提取方法如下：

在单光子探测器的入射窗选择一矩形区域，针对所有从该矩形区域通过的光子进行空间随机性的随机位提取，所述矩形区域的大小应不超出单光子探测器的入射窗的大小；

将所选矩形区域沿其长度X方向均匀的分为成n个等份，将其中每个等份的宽度为x_bin，则有：

X=n×x_bin

对每个等份进行随机位编码，其中n大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

从上述所选矩形区域的范围通过的每一个光子，根据所测的光子的横坐标x值，如果满足下式，

(i-1)×x_bin≤x<(i+1)×x_bin(1≤i≤n)

则第i等份所对应的编码为该光子到达横坐标x所提取的随机数；

将矩形区域沿宽度Y的方向均匀的分为m个等份，其中每个等份宽度为ybin，则有：

Y=m×y_bin

对每个等份进行随机位编码，其中m大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

从上述所选矩形区域的范围内通过的每一个光子，根据所测的光子的纵坐标y，如果满足下式，

(j-1)×y_bin≤y<(j+1)×y_bin(1≤j≤m)

则第j等份所对应的编码为该光子到达位置坐标y所对应的提取的Y随机数。

图9中将矩形区域长和宽都均匀分为整数8个等份，各等份编码采用二进制编码，图中的所示光子到达位置坐标x提取的随机数为011，光子到达位置坐标y提取的随机数为001。

基于光子到达时间随机性的随机数提取方法如下：

选择一定的时间长度作为一个周期，将周期T均匀的分为p个等份，一个等份的宽度为t_bin，则有：

T=p×t_bin

对每个等份进行随机位编码,其中p大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

将每一个光子的到达时间t表示成整数个周期T和一个相位的和如下式：

T为周期，ψ为相位，

每一个光子的到达时间所对应的相位ψ值，如果满足下式，

则第q等份对应的编码为该光子到达时间t所提取的随机数。

图10中将周期T均匀的分为整数16个等份，各等份编码采用二进制编码，图中的所示的一个光子到达时间对应的相位在第五等份内,所以对应得随机数为0100。

则图2表示了上述两组随机数（011001、0100）的生成和合并（0110010100）过程。

Claims (9)

1.一种基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：包括沿光路依次设置的光源，可调光阑，积分球和单光子探测器，还包括光子到达位置和时间同步测量电路以及随机位提取模块,

所述单光子探测器为基于MCP的单光子探测器，包括陶瓷管壳、接收积分球发射信号的设置在陶瓷管壳一端的入射窗、设置在陶瓷管壳中心的与入射窗平行设置的级联微通道板、设置在陶瓷管壳另一端的陶瓷基底、位敏阳极以及阳极基底，所述陶瓷基底位于陶瓷管壳的一侧设置有锗层，所述位敏阳极设置在陶瓷基底的另一侧，所述阳极基底设置在位敏阳极的另一侧，

所述位敏阳极通过阳极基底输出多路电流脉冲给光子到达位置和时间同步测量电路，所述光子到达位置和时间同步测量电路的输出端与随机位提取模块连接；

所述随机位提取模块包括数据读取模块、X、Y坐标数据转换模块、时间数据转换模块、基于空间随机性的随机数提取模块、基于时间随机性的随机数提取模块以及随机数合并模块，所述数据读取模块的输入端与光子到达位置和时间同步测量电路的输出端连接，所述数据读取模块的输出端分两路，其中一路通过X、Y坐标数据转换模块和基于空间随机性的随机数提取模块与随机数合并模块连接，另一路通过时间数据转换模块和基于时间随机性的随机数提取模块与随机数合并模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：所述光子到达位置和时间同步测量电路包括前置处理单元、光子到达定时信号产生电路、脉冲峰值同步采集单元、开始信号产生电路、恒温晶振时钟电路OCXO、可编程逻辑器件FPGA、数字信号处理器DSP、时间数字转换器芯片TDC和通信接口电路，

所述前置处理单元包括多路并联前置处理电路，所述前置处理电路包括串联的前置放大器和主放大器，

所述光子到达定时信号产生电路包括多路脉冲求和电路、峰值检测电路、低阈值比较电路、高阈值比较电路和D触发器(F1)，所述多路脉冲求和电路为连接成求和形式的运算放大器(U1)，所述运算放大器(U1)的输入端接收多路主放大器输出的多路脉冲信号，所述运算放大器(U1)输出求和信号分别发送到峰值检测电路、低阈值比较电路和高阈值比较电路；所述峰值检测电路由电阻(R4)、电容(C1)和第一比较器(U2)组成；所述低阈值比较电路由第一电位器(R5)和第二比较器(U3)组成；所述高阈值比较电路由第二电位器(R6)和第三比较器(U4)组成；峰值检测电路输出至D触发器(F1)的CLK端，低阈值比较电路输出至D触发器(F1)的D端，所述D触发器(F1)的Q端输出光子到达定时信号，所述D触发器(F1)的Q端依次通过第一非门(U6)、第二非门(U7)后再与高阈值比较电路的输出信号均通过或门(U5)，或门(U5)的输出端接D触发器(F1)的RST端；

所述脉冲峰值同步采集单元包括多路并联的脉冲峰值采集电路，所述脉冲峰值采集电路包括依次串联的峰值保持芯片、放大器和A/D变换器，所述峰值保持芯片的输入端与主放大器输出端连接，所述放大器接成跟随器方式，所有A/D变换器的启动变换端CLK连接在一起后与可编程逻辑器件FPGA相连，所述峰值保持芯片的保持/泻放端连接在一起后与可编程逻辑器件FPGA相连，所述脉冲峰值采集单元通过A/D变换器与可编程逻辑器件FPGA相互通信，

所述开始信号产生电路的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

所述恒温晶振时钟电路OCXO的输出端与可编程逻辑器件FPGA和时间数字转换器芯片TDC连接，

所述时间数字转换器芯片TDC与可编程逻辑器件FPGA相互通信，

所述数字信号处理器DSP与可编程逻辑器件FPGA相互通信，所述可编程逻辑器件FPGA通过通信接口电路与计算机连接；

所述可编程逻辑器件FPGA包括峰值采集控制单元、位置解码单元、时间测量单元、数据缓存单元和通信控制单元；

所述峰值采集控制单元用于控制脉冲峰值采集单元对所输入的脉冲峰值进行峰值同步测量，并将测量的峰值数据传输给位置解码单元；

所述位置解码单元用于与数字信号处理器DSP配合求解出光子的位置坐标数据；

光子到达定时信号输入至时间测量单元；所述时间测量单元与时间数字转换器芯片TDC配合，测量出光子的到达时间数据；

所述数据缓存单元用于存储光子的位置坐标数据和光子的到达时间数据；

所述通信控制单元用于控制数据缓存单元将光子的到达时间数据和光子的位置坐标数据发送到计算机；

所述时间测量单元包括计数器、控制逻辑单元和时间计算单元，光子到达定时信号、开始信号产生电路的开始信号以及同步信号输入控制逻辑单元，恒温晶振时钟电路OCXO的时钟信号、开始信号产生电路的开始信号、控制逻辑单元的控制信号输入计数器，时间数字转换器芯片TDC、计数器以及控制逻辑单元的输出端与时间计算单元连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：所述光源为氘灯、氙灯、发光二级管或激光器。

4.根据权利要求3所述的基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：所述位敏阳极为电阻阳极、楔条形阳极、延时线阳极、游标阳极、交叉条纹阳极或多阳极微通道阵列。

5.根据权利要求4所述的基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：所述恒温晶振时钟电路OCXO的时钟信号输入时间数字转换器芯片TDC的start端，开始信号产生电路的开始信号输入时间数字转换器芯片TDC的stop1端，光子到达定时信号输入时间数字转换器芯片TDC的stop2端。

6.根据权利要求5所述的基于光子空间和时间随机性的随机源，其特征在于：所述峰值保持芯片是PKD01芯片，所述A/D变换器是AD9240芯片，所述时间数字转换器芯片TDC为TDC—GPX芯片。

7.一种基于权利要求1所述的随机源的随机数提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】产生随机源：

1.1】光源发出光，经过可调光阑输出单光子源，单光子源经过积分球后输出均匀单光子源，均匀单光子源输入至单光子探测器；

1.2】均匀单光子源经过单光子探测器的入射窗后，经光电阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过级联微通道板倍增，形成电荷云团，电荷云团经过电场加速后，被锗层接收，产生镜像电荷；

1.3】位敏阳极感应镜像电荷后输出多路电流脉冲信号；

2】对多路电流脉冲信号分别进行放大和整形；

3】放大和整形后的多路电流脉冲信号，用于产生光子到达定时信号，同时进行多路脉冲峰值的同步采集；

其中，产生光子到达定时信号的方法：对输入的多路电流脉冲信号进行求和，求和后输出的脉冲幅度在高阈值和低阈值之间，同时检测到脉冲峰值时，则产生输出方波脉冲信号，上升沿代表光子到达时刻；

其中，多路脉冲峰值同步采集的方法：对输入的多路电流脉冲信号进行峰值保持，利用光子到达定时信号触发同步数模变换信号，从而同步采集多路脉冲峰值，并缓存峰值数据，采集完后，同步泻放掉保持的多路脉冲峰值，以对下一次输入的多路脉冲进行峰值采集；

4】手动触发或软件触发或外部触发产生一个开始信号，开始信号的上升沿代表开始测量时刻；

5】开始信号产生后，光子到达定时信号，一方面触发同步数模变换信号采集多路脉冲峰值；另一方面作为光子到达的定时信号，用于测量光子的到达时间；

其中，测量光子的到达时间的方法：先测量出所有到达光子的同一起始时刻t₀，利用计数器对高频时钟进行计数测量粗时间T_n，利用高精度时间数字转换器测量出光子到达定时信号与时钟最近输出脉冲的时间间隔t_n,t_n代表光子到达的细时间，则光子到达的时间用下式表示：

光子的到达时间＝T_n+t_n–t₀，其中n＝1,2,3…；

6】采集出多路脉冲的峰值后，根据多路脉冲峰值数据和探测器阳极的解码方法，求解出光子的位置坐标；

7】步骤6】中得到的光子的位置坐标和步骤5】中光子到达时间以同步的方式存到缓存数据缓存单元，并通过通信接口电路输出给随机位提取模块进行随机数提取处理：

8】通过通信接口电路连续读取光子的位置坐标数据和光子到达时间数据到计算机内存；

9】通过X、Y坐标数据转换模块对光子的位置坐标数据进行转换得到浮点数表示的光子的X、Y坐标；通过时间数据转换模块对光子到达时间数据进行转换得到浮点数表示的光子到达时间t；

10】基于空间随机性的随机数提取模块对浮点数表示的光子的X、Y坐标进行随机数提取得到基于空间随机性的随机数；同时基于时间随机性的随机数提取模块对浮点数表示的光子到达时间t进行随机数提取得到基于时间随机性的随机数；

11】将步骤10】得到的基于空间随机性的随机数和基于时间随机性的随机数通过随机数合并模块得到基于空间和时间的随机数。

8.根据权利要求7所述的随机数提取方法，其特征在于：所述步骤10】中提取空间随机性的随机数的具体方法为：

10.1】在单光子探测器的入射窗选择一矩形区域，并针对所有从该矩形区域通过的光子进行空间随机性的随机位提取，所述矩形区域的大小应不超出单光子探测器的入射窗的大小；

10.2】将步骤10.1】所选矩形区域沿其长度X均匀的分为成n个等份，且其中每个等份的宽度为x_bin，则有：

X＝n×x_bin

对每个等份进行随机位编码，其中n大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.3】从上述矩形区域的范围通过的每一个光子，根据所测的光子的横坐标x值，如果满足下式，

(i-1)×x_bin≤x＜(i+1)×x_bin

其中：1≤i≤n

则第i等份所对应的编码为该光子到达横坐标x所提取的随机数；

10.4】将矩形区域沿宽度Y均匀的分为m个等份，且其中每个等份宽度为y_bin，则有：

Y＝m×y_bin

对每个等份进行随机位编码，其中m大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.5】从上述矩形区域的范围内通过的每一个光子，根据所测的光子的纵坐标y，如果满足下式，

(j-1)×y_bin≤y＜(j+1)×y_bin

其中：1≤j≤m

则第j等份所对应的编码为该光子到达位置坐标y所对应的提取的Y随机数。

9.根据权利要求7或8所述的随机数提取方法，其特征在于：所述步骤10】中基于时间随机性的随机数提取具体方法为：

10.a】选择一定的时间长度作为一个周期，将周期T均匀的分为p个等份，且每个等份的宽度为t_bin，则有：

T＝p×t_bin

对每个等份进行随机位编码，其中p大于零，且为2的整数次方，编码采用二进制码或格雷码；

10.b】将每一个光子的浮点数表示的光子到达时间t表示成整数个周期T和一个相位的和如下式：

T为周期，为相位，

10.c】每一个光子的到达时间所对应的相位值，如果满足下式，

其中：1≤q≤p

则第q等份对应的编码为该浮点数表示的光子到达时间t所提取的随机数。