CN103942030B - 一种真随机数产生方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简单实用且能够实现真随机数高速产生的真随机数产生方法及其装置。本发明所述的真随机数产生方法将具有同一中心波长的连续光和相位随机变化的脉冲光在光学分/合束器进行干涉，然后将干涉结果从光学分/合束器的输出端口输出，并进行光电转换处理得到幅度随机变化的脉冲电信号；再将脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机的二进制比特串输出。本发明涉及的真随机数产生方法是一种基于量子物理基础产生真随机数的经典信息技术，操作简单，实现容易，实用性强，并可利用成熟的光学和电子学技术实现真随机数的高速产生，适合在信息科学技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及信息科学技术领域，具体涉及一种真随机数产生方法以及装置。
背景技术
随机数产生在信息科学领域有着重要的应用。它可以广泛应用在蒙特卡罗模拟、随机过程建模和各种保密通信技术中。随着信息科学的发展，特别是以量子物理为基础的激光和半导体等经典技术的不断突破，人们对于随机数的产生进行了深入的研究。尽管已有的随机数产生方法千差万别、各有不同，但是研究工作集中在真随机数的产生和测试方法，以及产生装置的系统复杂性、成本、可靠性和参量可控性等方面。
真随机数的产生主要利用物理系统的随机性来实现。比如利用电子线路中的随机噪声、电子线路中产生的混沌信号、光学系统中的相位噪声、混沌激光器以及量子物理的随机性等物理基础，人们已经从原理上论证了多种真随机数的产生方案。其中基于电子线路中的随机噪声以及混沌信号的方案已有商用基础。然而，使用电子线路中的物理过程产生随机数的方案，其随机二进制比特的产生速率难以进一步提升。近年来，随着光量子信息技术、光电子技术以及光通信系统不断成熟和发展，采用光学系统实现真随机数产生的方案引起人们的广泛关注。比如，利用激光器输出光场的真空涨落和半导体激光器的混沌信号输出，人们可以实现真随机数的产生，这是一种利用量子物理随机性实现真随机数产生的经典信息技术，上述基于光学系统的经典信息技术可以实现真随机数的高速产生，但是需要使用复杂的后级电子学辅助以实现对激光器相位噪声或混沌特性的测量，增加了系统的复杂性；同时半导体激光器的混沌信号产生需要配合外腔反馈等精密光学控制系统，导致上述产生真随机数的光学方案不利于进一步的向实用化发展。因此，人们需要更为简单实用的真随机数产生方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单实用且能够实现真随机数高速产生的真随机数产生方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该真随机数产生方法，包括以下步骤：
A、利用两个激光光源产生两束中心波长相同的激光，其中一束为连续光，另一束为脉冲光；
B、将上述两个激光光源产生的两束激光输入至光学分/合束器中，并在光学分/合束器中实现两束激光间的相互干涉，并从光学分/合束器的两个输出端口中输出两束激光的干涉结果；
C、将从光学分/合束器的两个输出端口中输出的两束激光的干涉结果进行光电转换处理得到随机变化的脉冲电信号；
D、将步骤C中得到的脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机数的输出。
进一步的是，在步骤A中，所述脉冲光产生采用直接调制的方法产生，具体方法如下所述：将脉冲泵浦激光或脉冲泵浦电流从零增加到最大直接加载到激光器的增益媒质上，实现脉冲光的输出。
进一步的是，在步骤A中，所述脉冲光产生采用外调制的方法产生，具体方法如下所述：将脉冲电信号加载在强度调制器上，通过强度调制的办法将一束相干特性差的直流光调制为脉冲光。
进一步的是，在步骤A中，所得到的脉冲光的任一个光脉冲均有确定的相位，且任意两个光脉冲的相位不相关。
进一步的是，在步骤D中，在将数字信号峰值采样和多比特量编码化过程中，多比特编码中编码比特位数为N，其中N属于自然数。
本发明还提供一种实现上述真随机数产生方法的装置，该真随机数产生装置，包括直流激光器、脉冲激光器、光学分/合束器、平衡光电探测器、模数转换器、采样量化编码器，直流激光器用于产生一束连续光，脉冲激光器用于产生一束与连续光的中心波长相同的脉冲光，直流激光器的输出端、脉冲激光器的输出端分别与光学分/合束器的输入端相连，光学分/合束器的输出端与平衡光电探测器的输入端相连，平衡光电探测器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与采样量化编码器的输入端相连。
进一步的是，所述直流激光器的输出端与光学分/合束器的输入端之间设置有第一偏振控制器，所述脉冲激光器的输出端与光学分/合束器的输入端之间设置有第二偏振控制器。
进一步的是，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器采用光纤绕制而成或采用带光纤接口输出封装的晶体材料波片组合而成。
进一步的是，所述直流激光器为半导体激光器、气体激光器、染料激光器、固体激光器中的任一种，所述脉冲激光器为脉冲半导体激光器、气体激光器、染料激光器、固体激光器中的任一种。
进一步的是，所述光学分/合束器为工作范围在紫外到远红外波段的自由空间光学分/合束器、光纤耦合器或集成波导耦合器。
本发明的有益效果：本发明所述的真随机数产生方法将具有同一中心波长的连续光和脉冲光在光学分/合束器进行干涉，然后将干涉结果从光学分/合束器的输出端口输出，并进行光电转换处理得到随机变化的脉冲电信号；再将脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机的二进制比特串输出，这种方法是一种基于量子物理基础的经典信息技术操作简单，实现容易，实用性强，可实现真随机数的高速产生，并可广泛应用在蒙特卡罗模拟、随机过程建模和各种保密通信技术等研究领域中。
附图说明
图1是本发明真随机数产生装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中连续光与脉冲光相互干涉的结果通过光电转换处理和模数转换后的结果示意图；
图3是本发明实施例中18000个脉冲光与直流光进行干涉后，将输出脉冲信号进行模数转换和峰值采样后的结果示意图；
图4是本发明实施例中18000个峰值采样结果进行3比特的量化编码后得到54000比特真随机数，将其中52900比特用于绘制二维随机比特图像；
图中标记说明：直流激光器1、脉冲激光器2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、光学分/合束器5、平衡光电探测器6、模数转换器7、采样量化编码器8。
具体实施方式
现有的真随机数产生装置不但结构复杂，也难以实现真随机数的高速产生，实用性不强，为了解决该问题，本发明提供了一种简单实用且能够实现真随机数高速产生的真随机数产生方法。具体方法如下所述，包括以下步骤：
A、利用两个激光光源产生两束中心波长相同的激光，其中一束为连续光，另一束为脉冲光；
B、将上述两个激光光源产生的两束激光输入至光学分/合束器中，并在光学分/合束器中实现两束激光间的相互干涉，并从光学分/合束器的两个输出端口中输出两束激光的干涉结果；
C、将从光学分/合束器的两个输出端口中输出的两束激光的干涉结果进行光电转换处理得到随机变化的脉冲电信号；
D、将步骤C中得到的脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机数的输出。
上述真随机数产生方法将具有同一中心波长的连续光和脉冲光在光学分/合束器5进行干涉，然后将干涉结果从光学分/合束器的输出端口输出，并进行光电转换处理得到随机变化的脉冲电信号；再将脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机的二进制比特串输出，这种方法是一种基于量子物理基础的经典信息技术操作简单，实现容易，实用性强，可实现真随机数的高速产生，并可广泛应用在蒙特卡罗模拟、随机过程建模和各种保密通信技术等研究领域中。
在上述方法实施过程中，脉冲电信号其幅度随机变化源自于两束激光相互干涉时相位差的随机性，为了实现这一随机性，在步骤A中，所述脉冲光产生可以采用直接调制的方法产生，具体方法如下所述：将脉冲泵浦激光或脉冲泵浦电流从零增加到最大直接加载到激光器的增益媒质上，实现脉冲光的输出。所述脉冲光产生也可以采用外调制的方法产生，具体方法如下所述：将脉冲电信号加载在强度调制器上，通过强度调制的办法将一束相干特性差的直流光调制为脉冲光。这两种脉冲光的产生方法操作简单，便于实现。
为了保证真随机数的准确产生，在步骤A中，所得到的脉冲光的任一个光脉冲均有确定的相位，且任意两个光脉冲的相位不相关，使每个光脉冲而言其相位在[0,2π]之间均匀分布，这样一来从平衡光电探测器中输出的电信号其统计特性满足其中x是输出电信号的可能取值。
进一步的是，在步骤D中，在将数字信号峰值采样和多比特量编码化过程中，多比特编码中编码比特位数为N，其中N属于自然数。
本发明还提供一种实现上述真随机数产生方法的装置，下面结合附图对该真随机数产生方法的装置作进一步的说明。如图1所示，该真随机数产生装置，包括直流激光器1、脉冲激光器2、光学分/合束器5、平衡光电探测器6、模数转换器7、采样量化编码器8，直流激光器1用于产生一束连续光，脉冲激光器2用于产生一束与连续光的中心波长相同的脉冲光，直流激光器1的输出端、脉冲激光器2的输出端分别与光学分/合束器5的输入端相连，光学分/合束器5的输出端与平衡光电探测器6的输入端相连，平衡光电探测器6的输出端与模数转换器7的输入端相连，模数转换器7的输出端与采样量化编码器8的输入端相连。其中平衡光电探测器6可以采用单光子探测器替代，利用该装置可以非常容易的实现真随机数的高速产生，并可广泛应用在蒙特卡罗模拟、随机过程建模和各种保密通信技术等研究领域中，而且结构简单，实用性较强，便于商业化生产。
为了保证输入到光学分/合束器5中的两束激光偏振方向相互平行，并实现二者在光学分/合束器5中达到最大干涉，所述直流激光器1的输出端与光学分/合束器5的输入端之间设置有第一偏振控制器3，所述脉冲激光器2的输出端与光学分/合束器5的输入端之间设置有第二偏振控制器4，通过两个偏振控制器对输出激光的偏振状态进行调整，使其达到最佳的状态。所述第一偏振控制器3、第二偏振控制器4可以采用光纤绕制而成或采用带光纤接口输出封装的晶体材料波片组合而成。
为了输出具有同样中心波长的两束激光，所述直流激光器1、脉冲激光器2具有相同中心波长，且其中心波长范围可以为紫外到远红外波段中任一个光波长，所述直流激光器1为半导体激光器、气体激光器、染料激光器、固体激光器中的任一种，所述脉冲激光器2为脉冲半导体激光器、气体激光器、染料激光器、固体激光器中的任一种。
进一步的是，所述光学分/合束器5为工作范围在紫外到远红外波段的自由空间光学分/合束器、光纤耦合器或集成波导耦合器，所述光学分/合束器5优选为50/50四端口光学分/合束器。
所述平衡光电探测器6可以为工作在紫外到远红外波段的分立元件或集成平衡光电探测器6；该探测器由具有相同探测效率的两个PIN或APD光电探测器组成，并配合模拟运算电路将两个探测器输出的电信号进行减法运算，最终得到脉冲电信号输出。
所述模数转换器7可以由任一商用或自制的具有模数转换功能的电路或仪表实现。
实施例
本实施例所述的真随机数产生装置，包括直流激光器1、脉冲激光器2、光学分/合束器5、平衡光电探测器6、模数转换器7、采样量化编码器8，直流激光器1用于产生一束连续光，脉冲激光器2用于产生一束与连续光的中心波长相同的脉冲光，直流激光器1的输出端、脉冲激光器2的输出端分别与光学分/合束器5的输入端相连，光学分/合束器5的输出端与平衡光电探测器6的输入端相连，平衡光电探测器6的输出端与模数转换器7的输入端相连，模数转换器7的输出端与采样量化编码器8的输入端相连，所述直流激光器1的输出端与光学分/合束器5的输入端之间设置有第一偏振控制器3，所述脉冲激光器2的输出端与光学分/合束器5的输入端之间设置有第二偏振控制器4。其中，直流激光器1、脉冲激光器2的中心波长均为1552.52nm，其中直流激光器1为Santec公司的波长可调谐激光器(TSL510)；脉冲激光器2为自制的直接调制半导体激光器，其脉宽为25ps，重复频率为1GHz，加载在激光器上的脉冲电流从0mA增加到最大，保证每个输出光脉冲具有确定的相位，同时任意两个光脉冲之间的相位没有关联；第一偏振控制器3、第二偏振控制器4为光纤绕制而成；光学分/合束器5为50/50四端口光纤耦合器；平衡光电探测器6为商用集成型平衡光电探测器6(u2tBPDV2020R)；模数转换器7为安捷伦公司的高速数字示波器(Agilent InfiniiumDSO81204B)；峰值采样和多比特量化编码过程中，二进制比特位数为3。图2是本发明实施例中连续光与脉冲光相互干涉的结果通过光电转换处理和模数转换后的结果示意图，一方面可以清楚地看到两束激光器的干涉效果；另一方面，结果表明输出电脉冲的幅度在最大和最小之间具有随机改变的起伏。图3是本发明实施例中18000个脉冲光与直流光进行干涉后，将输出脉冲信号进行模数转换和峰值采样后的结果示意图，结果表明，输出脉冲信号的幅值在最大和最小之间随机改变。图4是本发明实施例中18000个峰值采样结果进行3比特的量化编码后得到54000比特真随机数，将其中52900比特用于绘制二维随机比特图像，其中，3比特的量化编码过程为将脉冲幅值均分为八份，进行000,001,010,011,100,101,110,111编码即可得到真随机数的输出，最终输出真随机数的比特率是光脉冲重复频率的三倍，即在本实施例中真随机数的产生率为3Gbps。
Claims (7)
1.一种真随机数产生方法，其特征在于包括以下步骤：
A、利用两个激光光源产生两束中心波长相同的激光，其中一束为连续光，另一束为脉冲光；所述脉冲光产生采用直接调制的方法产生，具体方法如下所述：将脉冲泵浦激光或脉冲泵浦电流从零增加到最大直接加载到激光器的增益媒质上，实现脉冲光的输出；所得到的脉冲光的任一个光脉冲均有确定的相位，且任意两个光脉冲的相位不相关；
B、将上述两个激光光源产生的两束激光输入至光学分/合束器中，并在光学分/合束器中实现两束激光间的相互干涉，并从光学分/合束器的两个输出端口中输出两束激光的干涉结果；
C、将从光学分/合束器的两个输出端口中输出的两束激光的干涉结果进行光电转换处理得到随机变化的脉冲电信号；
D、将步骤C中得到的脉冲电信号通过模数转换后得到相应的数字信号，接着将数字信号进行峰值采样和多比特编码量化，最终实现真随机数的输出。
2.如权利要求1所述的真随机数产生方法，其特征在于：在步骤D中，在将数字信号峰值采样和多比特量编码化过程中，多比特编码中编码比特位数为N，其中N属于自然数。
3.一种真随机数产生装置，其特征在于：包括直流激光器(1)、增益开关脉冲激光器(2)、光学分/合束器(5)、平衡光电探测器(6)、模数转换器(7)、采样量化编码器(8)，直流激光器(1)用于产生一束连续光，增益开关脉冲激光器(2)用于产生一束与连续光的中心波长相同的脉冲光，直流激光器(1)的输出端、增益开关脉冲激光器(2)的输出端分别与光学分/合束器(5)的输入端相连，光学分/合束器(5)的输出端与平衡光电探测器(6)的输入端相连，平衡光电探测器(6)的输出端与模数转换器(7)的输入端相连，模数转换器(7)的输出端与采样量化编码器(8)的输入端相连。
4.如权利要求3所述的真随机数产生装置，其特征在于：所述直流激光器(1)的输出端与光学分/合束器(5)的输入端之间设置有第一偏振控制器(3)，所述增益开关脉冲激光器(2)的输出端与光学分/合束器(5)的输入端之间设置有第二偏振控制器(4)。
5.如权利要求4所述的真随机数产生装置，其特征在于：所述第一偏振控制器(3)、第二偏振控制器(4)采用光纤绕制而成或采用带光纤接口输出封装的晶体材料波片组合而成。
6.如权利要求3所述的真随机数产生装置，其特征在于：所述直流激光器(1)为半导体激光器、气体激光器、染料激光器、固体激光器中的任一种。
7.如权利要求3所述的真随机数产生装置，其特征在于：所述光学分/合束器(5)为工作范围在紫外到远红外波段的自由空间光学分/合束器、光纤耦合器或集成波导耦合器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |