CN104156194B - 一种量子随机数产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子随机数产生方法及装置，其中，该装置包括：量子随机数源，用于输出微弱光探测信号；随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。本发明公开的装置，随机数产生质量较高产生速率较快，且无需后处理。

Description

一种量子随机数产生方法及装置

技术领域

本发明涉及加密技术领域，尤其涉及一种量子随机数产生方法及装置。

背景技术

随机数最重要的特性是产生的前后两个数之间毫无关系。在很多场合使用的是通过一个固定的、可以重复的计算方法产生的，称为伪随机数，虽然使用了复杂的数学函数，但是在一些加密系统的应用中，已经被证明有很多途径可以攻击用伪随机数加密的系统。对于真正关键的应用，必须使用真随机数，而真正的随机数是使用物理现象产生的：比如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，这样的随机数发生器叫做物理性随机数发生器。

随机数被应用在不同的场合，比如统计学的不同技术中需要使用随机数，如从统计总体中抽取有代表性的样本的时候，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算的时候等等。而在密码学的各种应用的中，随机数更是必不可少的，而且要求高质量的随机数，只有这样才能保证系统的安全。尤其是在量子密钥分配的各种实现方案中，随机数在密钥的形成过程中起着至关重要的作用，如果这些随机数被第三方窃取或者破解，通讯双方通过公共信道讨论探测结果时，窃听者可能完全获取密钥而不被发现。因此，无论是在经典的信息安全领域还是在量子信息领域，一个真随机数发生器都是必须的。

目前，利用光学量子随机源的方法有很多，比如经典的单光子通过分光器使用2个单光子探测器探测的方案，但是，此方案由于探测器探测效率的不一致性，要做到无偏非常困难，同时此方案产生的随机数速率很低；目前其他类似的方案均也存在较大缺陷，例如产生速率很低，产生随机数的质量不好，实现非常复杂，以及需要进行后续处理等。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子随机数产生方法及装置，随机数产生质量较高产生速率较快，且无需后处理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种量子随机数产生装置，该装置包括：

量子随机数源，用于输出微弱光探测信号；

随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。

一种量子随机数产生方法，该方法包括：

输出微弱光探测信号；

将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于时间测量和计数甄别技术的真随机数发生器具有高性能，高速率(超过40Mbps)，无需后处理，结构简单，易于实现，随机数的质量好的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种量子随机数产生装置的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种量子随机数源的示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种随机数采样器的示意图；

图4为本发明实施例一提供的实验数据示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种量子随机数产生方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例涉及使用光子达到时间的随机性来产生真随机数，是一种使用时间测量和计数甄别技术，无需后处理的物理随机数产生器，适用于保密通讯，加密计算，密钥管理等各种需要真随机数的场合，特别是在新兴的量子保密通讯系统中，真随机数更是必不可少。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种量子随机数产生装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：

量子随机数源11，用于输出微弱光探测信号；

随机数采样器12，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数并输出。

进一步的，所述量子随机数源11包括：

可调节的发光二极管LED，用于通过调节电压发出弱光源；

衰减器，用于对所述弱光源衰减到单光子水平；

光电倍增管PMT，用于对所述单光子水平的光源进行探测。

进一步的，所述可调节的发光二极管LED包括：可调电阻与LED；通过调节可调电阻来改变所述LED的电压，使得所述LED发出稳定的弱光源。

进一步的，所述单光子水平的光子数符合泊松分布，一段时间T内产生的光子数X＝k的概率表示为：

其中，λ是表征衰减后的光强的参数。

进一步的，所述在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数包括：

在固定周期内B路信号的计数值为1的概率是均匀的，表示为：

其中，W为只在第k个时间量化值内B路信号计数值为1的概率，M为在固定周期T₀内B路信号计数值为1的概率，t₀为时间的量化单位，N为固定周期T₀内总的量化数。

进一步的，所述随机数采样器12包括：

放大器，用于对输入的微弱光探测信号进行成形放大；

甄别器，用于对放大后的信号进行甄别，在甄别后将信号分割为AB两路；

时间数字转换器TDC，用于对A路信号进行时间测量；

计数器，用于对B路信号进行计数；

数据采样及处理器，用于在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为预定值时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。

为了便于理解，下面结合附图2-4对本发明所述的装置做进一步的介绍。

如图2所示，为量子随机数源的结构示意图，其主要包括：可调节的发光二极管(LED)、衰减器与光电倍增管(PMT)。

其中，可调节的LED主要包括：可调电阻和LED；通过调节可调电阻来改变所述LED的电压，使得所述LED发出稳定的弱光源。

发出的弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平，再进入高灵敏度的PMT进行探测，PMT需要给一个高压才能正常工作，并输出探测信号。

如图3所示，为随机数采样器的结构示意图。其主要包括：放大器、甄别器、时间数字转换器(TDC)、计数器及数据采样及处理器。

由于PMT输出的信号微弱，因此需要通过放大器进行放大成形，使得信号能适合后面的甄别器甄别，甄别之后的信号分成2路，一路进入高精度TDC进行时间测量，另一路进入计数器进行计数，如果在固定周期内的计数为1，则输出TDC的值作为随机数输出。

本发明实施例中，根据量子力学的原理，基于单光子水平的光子探测，其光子数的分布符合泊松分布，一段时间T内产生的光子数X＝k的概率表示为：

其中，λ是表征衰减后的光强的参数

而在固定周期内B路信号的计数值为1的概率是均匀的，表示为：

其中，W为只在第k个时间量化值内B路信号计数值为1的概率，M为在固定周期T₀内B路信号计数值为1的概率，t₀为时间的量化单位，N为固定周期T₀内总的量化数。

基于上述方案进行了实验，实验的测试结果如图4所示，其中，水平分布的线为提取的每个周期内只有1个达到光子的光子达到时间数据的概率分布，另一条线则为第一个达到光子时间数据的概率分布。从图中可以看出，实验结果和理论计算是一致的，其中周期内的量化数为256，因此量化的时间值是8位的。此时输出只有一个光子到达周期的时间量化值即为无需后处理的真随机数。

本发明实施例中采样部分控制及数据处理部分甚至TDC部分可以在FPGA(现场可编程门阵列)中实现，具有非常大的灵活性。其集成灵活，可以很方便的和FPGA中的其他功能进行集成；接口灵活，可以很方便的设计各种接口，包括硬接口和软接口，以满足各种应用的需求。

本发明实施例基于时间测量和计数甄别技术的真随机数发生器具有高性能，高速率(超过40Mbps)，无需后处理，结构简单，易于实现，随机数的质量好的特点；并通过了NIST，Diehard等多种技术测试标准。

实施例二

图5为本发明实施例二提供的一种量子随机数产生方法的流程图。如图5所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤51、输出微弱光探测信号；

步骤52、将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。

需要说明的是，上述方法的具体实现方式在前面的实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述方便和简洁，本发明实施例中的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种量子随机数产生装置，其特征在于，该装置包括：

量子随机数源，用于输出微弱光探测信号；

随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数；

固定周期内B路信号的计数值为1的概率是均匀的，表示为：

$P_k=\frac{W}{M}=\frac{e^{-{\mathrm{\λt}}_0}{\mathrm{\λt}}_0{\left(e^{-{\mathrm{\λt}}_0}\right)}^{N-1}}{e^{-{\mathrm{\λT}}_0}{\mathrm{\λT}}_0}=\frac{t_0}{T_0}=\frac{1}{N};$

其中，W为只在第k个时间量化值内B路信号计数值为1的概率，M为在固定周期T₀内B路信号计数值为1的概率，t₀为时间的量化单位，N为固定周期T₀内总的量化数，λ表征衰减后的光强的参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子随机数源包括：

可调节的发光二极管LED，用于通过调节电压发出弱光源；

衰减器，用于对所述弱光源衰减到单光子水平；

光电倍增管PMT，用于对所述单光子水平的光源进行探测。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可调节的发光二极管LED包括：可调电阻与LED；通过调节可调电阻来改变所述LED的电压，使得所述LED发出稳定的弱光源。

4.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述单光子水平的光子数符合泊松分布，一段时间T内产生的光子数X＝k的概率表示为：

$P(X=k)=e^{-\mathrm{\λ}T}\frac{{\left(\mathrm{\λ}T\right)}^k}{k!};$

其中，λ是表征衰减后的光强的参数。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述随机数采样器包括：

放大器，用于对输入的微弱光探测信号进行成形放大；

甄别器，用于对放大后的信号进行甄别，在甄别后将信号分割为AB两路；

时间数字转换器TDC，用于对A路信号进行时间测量；

计数器，用于对B路信号进行计数；

数据采样及处理器，用于在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为预定值时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。

6.一种量子随机数产生方法，其特征在于，该方法包括：

输出微弱光探测信号；

将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数；

固定周期内B路信号的计数值为1的概率是均匀的，表示为：

$P_k=\frac{W}{M}=\frac{e^{-{\mathrm{\λt}}_0}{\mathrm{\λt}}_0{\left(e^{-{\mathrm{\λt}}_0}\right)}^{N-1}}{e^{-{\mathrm{\λT}}_0}{\mathrm{\λT}}_0}=\frac{t_0}{T_0}=\frac{1}{N}:$

其中，W为只在第k个时间量化值内B路信号计数值为1的概率，M为在固定周期T₀内B路信号计数值为1的概率，t₀为时间的量化单位，N为固定周期T₀内总的量化数，λ表征衰减后的光强的参数。