CN103793198B - 基于放大真空态的量子随机数发生器及方法 - Google Patents

基于放大真空态的量子随机数发生器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于放大真空态的量子随机数发生器，包括：光路模块和电路模块；其中，所述光路模块的输出端连接所述电路模块的输入端。所述光路模块包括激光器、分束器、平衡零差检测器、真空态发生器以及光放大器；其中，所述真空态发生器的输出端连接所述光放大器的输入端；所述光放大器的输出端与所述分束器的一个输入端相连；所述激光器的输出端连接所述分束器的另一个输入端；所述分束器的输出端连接所述平衡零差检测器的输入端。本发明还提供相应的方法。本发明通过测量放大后的真空态产生量子随机数并且采用伪噪声码和原始比特异或方式进行去偏差处理，从而产生更高速率，随机性更好的真随机数。

Description

基于放大真空态的量子随机数发生器及方法
技术领域
本发明涉及量子随机数发生器，具体地，涉及一种基于放大真空态的量子随机数发生器及方法。
背景技术
随着计算机及信息技术的发展，信息的安全性日趋重要，作为保障信息安全的密码技术更是越发重要。其中，随机数理论又是密码学中的一个最重要的组成部分，如今，随机数不仅在密码领域，在其他科学研究领域也有着非常重要的作用，比如安全通信、蒙特卡罗仿真和认证。随机数的一个应用案例就是量子密钥分发，其中，随机数是非常重要的安全基础。然而，现在大量使用的都是伪随机数。尽管这些伪随机数在实际工作中非常重要，但他们固有的伪随机性，还是会给一些需要真随机的应用场合带来隐患。
近年来，基于量子机制的随机数产生方式引起广泛关注，因为其随机性是由量子物理的基本理论和特性来保证的，因而是安全的。目前量子随机数吸引了世界上许多研究机构对其产生理论和应用技术进行了深入的研究。传统的方法是通过测量一个单光子经过光分束器的概率来产生随机数，通过不同的探测器对单光子的捕获来产生0,1序列，量子力学的原理可以保证这样的0,1序列是完全随机的，这种方法的优点是简单易于实现，缺点是随机数产生速率比较低，受器件限制比较多。另一种方法是通过测量微弱光脉冲中光子数来产生随机数，还有一些方法是通过测量半导体激光器的相位噪声来产生随机数。因为从垂直腔表面激光器发射出来的单模激光的相位噪声是一个高斯随机变量，这种相位的噪声的真随机性来自于光子的自发辐射的随机性本质，这种方法的优势是可以产生高速的随机数。近年来，测量真空态的涨落噪声成为一种新的量子随机数产生方法，涨落噪声是一种量子噪声并被证明是真随机的，通过测量真空态的X位置分量，可以从测量结果中抽取随机比特。
目前，测量真空态涨落噪声得到的随机数比特速率比较低，且包括直流偏差，这些因素包括但不限于：
1.真空态量子涨落噪声包含的随机性有限；
2.得到的测量结果包括直流偏差。
发明内容
为了得到速率更高的量子随机数，并有效去除随机数中的直流偏差，我们设计了一种基于测量放大后的真空态产生量子随机数的方法，通过放大真空态可以产生更多的随机数，并且采用伪噪声码和原始比特异或方式进行去偏差处理，从而产生更高速率，随机性更好的真随机数。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于放大真空态的量子随机数发生器装置。
根据本发明的一个方面，提供的基于放大真空态的量子随机数发生器，包括：光路模块和电路模块；
其中，所述光路模块的输出端连接所述电路模块的输入端；光路模块，用于产生本振光和真空态，将产生的真空态放大作为信号光，并使得信号光和本振光进行干涉，生成干涉数据；电路模块，用于测量干涉数据，并对干涉数据进行量化，编码，并产生最终的随机数。
优选地，所述光路模块包括激光器、分束器、平衡零差检测器、真空态发生器以及光放大器；
其中，所述真空态发生器的输出端连接所述光放大器的输入端；所述光放大器的输出端与所述分束器的一个输入端相连；所述激光器的输出端连接所述分束器的另一个输入端；所述分束器的输出端连接所述平衡零差检测器的输入端；激光器用于产生本振光；真空态发生器用于产生真空态；光放大器用于对真空态进行光学放大；分束器用于将信号光、本振光分成强度相等的两束；平衡零差检测器用于检测相干光的光电流强度并生成差分电流。
优选地，所述电路模块包括弱信号放大器、高速A/D采集模块以及FPGA后处理模块；所述弱信号放大器、所述高速A/D采集模块以及所述FPGA后处理模块顺次相连；所述弱信号放大器与所述平衡零差检测器的输出端相连；所述弱信号放大器用于将差分电流转换为电压信号并进行放大；所述高速A/D采集模块用于采集电压信号并对电压信号进行量化生成分析数据；所述FPGA后处理模块用于将分析数据进行编码和去偏差，以生成随机数。
优选地，所述分束器为随机偏振方向为50:50的分束器。
优选地，所述弱信号放大器包括顺次相连的电阻网络和电压放大器；所述电阻网络与所述平衡零差检测器的输出端相连。
根据本发明的一个方面，提供的基于放大真空态的量子随机数发生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将信号光和本振光输入分束器进行分束；
步骤2：将被分束器分束后的本振光和信号光进行平衡零差检测，并将分束后的本振光和信号光转化为差分电流；
步骤3：将所述差分电流转换为电压信号并进行放大处理；
步骤4：对放大处理后的电压信号进行采集量化生成分析数据；
步骤5：将分析数据通过随机数生成方法处理生成随机数。
优选地，所述信号光为放大后的真空态；所述本振光为脉冲激光。
优选地，步骤5还包括如下步骤：
步骤5.1：对分析数据进行编码，把放大后真空态的概率空间分为若干相等部分，每部分分配固定码字，分析数据每落到一个区间，就取一个对应码字；
步骤5.2：对步骤5.1中得到的数据采用伪噪声码和原始比特异或方法进行去偏差处理；
步骤5.3：对步骤5.2中得到的数据进行SH512哈希处理，最终得到随机数。
优选地，在步骤5.2中的采用的所述异或方法为，其中N(n)为伪噪声码序列，S(n)为包含直流偏差的原始比特序列，D(n)为生成序列，表示异或运算。
优选地，所述分束器为随机偏振方向为50:50的分束器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过测量放大后的真空态产生量子随机数并且采用伪噪声码和原始比特异或方式进行去偏差处理，从而产生更高速率，随机性更好的随机数。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，如图1所示，本发明提供的基于放大真空态的量子随机数发生器，包括放大真空态涨落噪声测量和数据处理两部分，主要由光路模块和电路模块组成。所述光路模块的输出端连接所述电路模块的输入端。其中，光路模块主要由激光器，分束器、平衡零差检测器、真空态发生器以及光放大器组成；其中，所述真空态发生器的输出端连接所述光放大器的输入端；所述光放大器的输出端与所述分束器的一个输入端相连；所述激光器的输出端连接所述分束器的另一个输入端；所述分束器的输出端连接所述平衡零差检测器的输入端。激光器用于产生本振光；真空态发生器用于产生真空态；光放大器用于对真空态进行光学放大；分束器用于将信号光、本振光分成强度相等的两束；平衡零差检测器用于检测相干光的光电流强度并生成差分电流。
所述电路部分主要由弱信号放大器、高速A/D采集模块和FPGA后处理模块组成；所述弱信号放大器、所述高速A/D采集模块以及所述FPGA后处理模块顺次相连；所述弱信号放大器与所述平衡零差检测器的输出端相连。光路模块，用于产生本振光和真空态，将产生的真空态放大作为信号光，并使得信号光和本振光进行干涉，生成干涉数据；电路模块，用于测量干涉数据，并对干涉数据进行量化，编码，并产生最终的随机数。所述弱信号放大器用于将差分电流转换为电压信号并进行放大；所述高速A/D采集模块用于采集电压信号并对电压信号进行量化生成分析数据；所述FPGA后处理模块用于将分析数据进行编码和去偏差，以生成随机数。
当使用本发明提供的随机数发生器时，将激光器产生脉冲激光作为本振光进入50:50的分束器的一个输入端，将真空态经过放大倍数为G的光放大器作为信号光进入50:50的分束器的另一个输入端。分束后的本振光和信号光经过平衡零差检测器产生差分电流，并将此差分电流送到弱信号放大器进行处理。在弱信号放大器中，差分电流信号经过电阻网络转换为电压信号，并由电压放大部进行放大，放大后的电压信号送到高速A/D采集模块进行量化采集，并将量化后的数据送到FPGA后处理模块进行处理，并最终产生随机数。
在本实施例中，本发明提供的基于放大真空态的量子随机数发生方法，具体步骤如下：
步骤1：将信号光和本振光输入分束器进行分束；
步骤2：将被分束器分束后的本振光和信号光进行平衡零差检测，并将本振光和信号光转化为电流信号；
步骤3：将所述电流信号转换为电压信号并进行放大处理；
步骤4：对放大处理后的电压信号进行采集量化生成分析数据；
步骤5：将分析数据进行处理生成随机数。
步骤5还包括如下步骤：
步骤5.1：对分析数据进行编码，把放大后真空态的概率空间分为若干相等部分，每部分分配固定码字，分析数据每落到一个区间，就取一个对应码字；
以n=3为例，码字分配从左到右依次为000,100,010,001,011,101,110,111，这8个码字，将放大后真空态概率空间分为相等的8份，测量每落到一个区间，就取一个对应码字。
步骤5.2：对步骤5.1中得到的数据采用伪噪声码和原始比特异或方法进行去偏差处理；
步骤5.3：对步骤5.2中得到的数据进行SH512哈希处理，最终得到随机数。
（2）数据后处理阶段：通过随机数生成方法来生成高速随机数。随机数生成方法步骤如下：
在步骤5.2中的采用的方法为其中N(n)为伪噪声码序列，S(n)为包含直流偏差的原始比特序列，D(n)为生成序列。
通过以上过程，可以对采集到的数据进行编码，处理，并最终得到真随机数。由于对放大真空态进行测量，可以得到更高的随机数产生速率，通过使用去偏差处理和哈希处理，可以使得随机数的随机性更好，能通过相关随机数认证测试。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于放大真空态的量子随机数发生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将信号光和本振光输入分束器进行分束；
步骤2：将被分束器分束后的本振光和信号光进行平衡零差检测，并将分束后的本振光和信号光转化为差分电流；
步骤3：将所述差分电流转换为电压信号并进行放大处理；
步骤4：对放大处理后的电压信号进行采集量化生成分析数据；
步骤5：将分析数据通过随机数生成方法处理生成随机数；
步骤5还包括如下步骤：
步骤5.1：对分析数据进行编码，把放大后真空态的概率空间分为若干相等部分，每部分分配固定码字，分析数据每落到一个区间，就取一个对应码字；
步骤5.2：对步骤5.1中得到的数据采用伪噪声码和原始比特异或方法进行去偏差处理；
步骤5.3：对步骤5.2中得到的数据进行SH512哈希处理，最终得到随机数；
在步骤5.2中的采用的所述异或方法为其中N(n)为伪噪声码序列，S(n)为包含直流偏差的原始比特序列，D(n)为生成序列，表示异或运算。
2.根据权利要求1所述的基于放大真空态的量子随机数发生方法，其特征在于，所述信号光为放大后的真空态；所述本振光为脉冲激光。
3.根据权利要求1所述的基于放大真空态的量子随机数发生方法，其特征在于，所述分束器为随机偏振方向为50:50的分束器。
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