CN106354476B - 基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法，量子随机数发生器包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，所述延时干涉模块包括：主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。本发明采用了多个分束器与光纤回路组成延时干涉模块，可以通过多路数据采集产生高码率的随机数。

Description

基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成 方法

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器。

背景技术

随机数是满足一定的统计性质，并且不具有任何固定的或是明显的模式的数字或符号的序列。随机数在科学和技术的众多领域中扮演着非常重要的角色。例如，统计抽样、随机算法、密码学、信息通信安全等。

根据随机数的产生方法可以将其分为两大类：伪随机数和真随机数。伪随机数通常利用确定性的计算机软件算法和较短的随机种子序列来产生，这种确定性的算法产生的随机数列并不是完全随机的随机数列，其本质上不具有真正的随机性。因此，在对安全性有较高需求的应用中，伪随机数序列已经不能满足需要。

真随机数序列是由真随机数发生器产生的，其一般而言是利用对非确定性的物理现象的测量和采样来产生的。通常真随机数满足一下三个特征：不可重复性、不可预测性、无偏性。对于产生非确定性物理现象的物理随机源有很多，比如大气噪声、电子噪声、频率抖动、辐射衰变等。然而受限于经典物理机制及现有采样提取手段，使得随机数序列的成码率很低，无法适应实际需求。随着量子技术的快速发展，真随机数在物理随机源的选择和采样测量技术上有了较大的突破。利用物理随机源的量子特性来设计的真随机数发生器，其随机性来源安全且成码率高。因此，量子随机数发生器在信息安全领域有着非常重要的应用。

目前有许多量子随机数发生器的方案，例如基于单光子路径选择的方案、基于光子到达时间的方案、基于激光器相位涨落的方案等。然而现有的量子随机数发生器方案存在诸多缺点，有的系统复杂不易控制，有的随机数产生速率低，有的需要复杂的相位稳定系统不利于集成，有的需大型的仪器设备成本高。

例如公开号为CN105022606A的专利文献公开了一种基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器，包括激光光源、双光束干涉仪、相位控制系统、光电探测器和模数转换器。该发明能够大幅度提高随机数产生速率，但存在的缺点是需要复杂的相位控制系统，不利于操控和集成。

文献5.4Gbps real quantum random number generation with compactstructure.arXiv.org,quant-ph,arXiv:1609.02681提出了一种只利用一个分束器和光纤延时线来实现光束干涉的随机数发生器，此方案也是基于激光相位波动的随机数发生器，虽然此方案不需要复杂的相位控制系统，但所采用的模数转换器(ADC)成本高不利于集成。

现有的量子随机数发生器方案中，有些随机数产生率低，无法满足高速量子通信系统的需求；有些方案的码率很高，但需要复杂的相位稳定系统或者温控系统，不利于集成，并且相应的成本较高，制约了其在实际产业中的应用和推广。

发明内容

本发明提供一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，采用了多个分束器与光纤回路组成延时干涉模块，可以通过多路数据采集产生高码率的随机数。

一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，所述延时干涉模块包括：

主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；

依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。

本发明中光纤回路实际上可以理解为所有子分束器组成的环形光路。

本发明中，除了主分束器以外，还利用多个子分束器构建光纤回路，每一个子分束器通过接收来自主分束器的子光束，以及来自光纤回路的回路光束产生干涉，干涉后的光束输入探测处理模块，进行光电转换以及生成量子随机数。本发明中激光光源以及探测处理模块部分，也可以采用现有技术实现。

光纤回路中，按照光信号的传递方向，各个子分束器依次布置，而所述的上游、下游为相对概念，指在光纤回路中两个相邻的子分束器之间，一个处在上游，另一个则为下游。

所述激光光源用于产生激光束，并将激光束输输出到延时干涉模块中。优选地，激光光源为连续激光光源，例如工作波长为1550.12nm，激光光源的波长在小范围的波动对结果影响不大，不会改变随机数的随机性，因此并没有严格限制，可选的，所述激光光源为DFB激光器。

延时干涉模块中，主分束器输出端口数量至少大于等于子分束器个数，每个子分束器对应主分束器的一路输出。

作为优选，所述子分束器为2×2保偏分束器，其中：

一个输入端接入光纤回路中与上游子分束器连接；

一个输出端接入光纤回路中与下游子分束器连接；

另一个输入端连接主分束器以接收对应的子光束；

另一个输出端连接探测处理模块以发送干涉后的光束。

作为进一步优选，子分束器的分束比为50/50。

由于光纤本身存在一定的衰减，所以分束比允许在一定范围内变动而不影响随机数的随机性。

在光纤回路中为了使输入子分束器的两路光束产生相位差，继而干涉，在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线。

作为优选，所有光纤延迟线的长度各不相同。这样可以保证每个子分束器的输出各不相同，提高随机数生成效率。

作为优选，所述探测处理模块包括分别接收对应子分束器输出的多个SFP模块，以及采集各SFP模块输出的数字信号和生成量子随机数的FPGA处理芯片。

本发明中，SFP模块也可以采用其他具有相应功能的模块代替，如ADC模块等。

进一步，由于本发明中针对每个子分束器以多路数据采集的方式让随机数生成的码率成倍的增加，克服了利用SFP模块替代ADC模块后随机数码率过低的难题。

作为优选，所述子分束器为2、3或4个。每个子分束器均可输出一路干涉光束，相应的匹配一SFP模块进行探测。

作为优选，所述SFP模块包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器。

所述光电探测器用于探测接收到的干涉光束的瞬时光强信号并将瞬时光强信号转变为电流信号。

甄别整形放大器用于将来自光电探测器的电流信号转变为电压信号；根据后续处理的要求，电压信号应具有足够幅度。

数字信号产生器用于将来自甄别整形放大器的电压信号处理成数字信号并输入FPGA处理芯片。

优选地，所述光电探测器为雪崩光电二极管，所述甄别整形放大器为跨阻放大器，所述数字信号产生器为限幅放大器。

优选地，所述限幅放大器的采样率为2.5GSa/s。

为了提高集成度，可以将所有SFP模块的输出接入同一FPGA处理芯片，FPGA处理芯片根据接收到的数字信号生成部分随机的二进制比特串，然后利用快速傅里叶的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。

本发明采用限幅放大器(集成于SFP模块中)作为模数转换器，与现有技术中的ADC相比虽然在码率上有所下降，但是现有SFP模块可以提高随机数发生器的可靠性，并同时大大降低了其成本。

由于SFP测量一次电压值时只会最终输出一个比特的随机数，而不是如ADC那样生成8个bit的随机数，因此相同采样率的情况下，随机数的码率只有原来的1/8，不到1Gbps。同时现有的研究表明提升码率不能简单的通过提高采样率，只有当光源的相干时间小于采样时间时，提升采样率才会提升最终随机数的码率。而现有技术的光源的相干时间已经大于采样时间，因此提升SFP采样率无法最终提升码率，而过低的码率无疑会大大影响技术方案的实用价值。为此，本发明在用SFP替代ADC方案的基础上，通过多路采集数据的方案来提升码率。

本发明还提供一种量子随机数生成方法，实施于所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，具体包括以下步骤：

S1、激光光源产生激光束；

S2、将激光束输入至延时干涉模块，使光束产生延时，并发生干涉；

S3、将干涉后的光束输出至探测处理模块，使光信号转换为电信号，通过对电信号进行放大整形后，由模拟信号转换为数字信号。

S4、根据数字信号生成部分随机的二进制比特串，并进行随机数提取得到完全的量子随机数。

本发明采用多个分束器与光纤回路组成的延时干涉模块，结构简单，操控容易，更重要的是不需要复杂的相位稳定系统，因此容易集成，产生高码率的随机数。

附图说明

图1是本发明实施例1的量子随机数发生器的结构图。

图2是本发明实施例2的量子随机数发生器的结构图。

图3是本发明各实施例SFP模块的结构示意图。

图4为用以说明本发明原理的单个子分束器模型示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本实施例基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源1、延时干涉模块2和探测处理模块，其中探测处理模块包括SFP模组3和FPGA处理芯片4。

延时干涉模块2包括作为主分束器的分束器21以及两个子分束器，分别为分束器22和分束器23，分束器21为1×2的保偏分束器，分束器22和分束器23均为2×2保偏分束器，分束比为50/50。

分束器22和分束器23之间通过光纤连成光纤回路24，分束器22包括输入端口P1、输入端口P4、输出端口P2、输出端口P3；分束器23包括输入端口B1、输入端口B2、输出端口B3、输出端口B4。

激光光源1输出的连续相干光输入到分束器21，光束经分束器21分束后，生成第一子光束输入至分束器22的输入端口P1，第二子光束输入至分束器23的输入端口B1。

第一子光束通过分束器22分束后由输出端口P2和输出端口P3输出，第二子光束经分束器23分束后由输出端口B3和输出端口B4输出。

由输出端口P2输出的光(回路光束)经光纤延迟线L1回到下游的分束器23的输入端口B2；

由输出端口B4输出的光(回路光束)经光纤延迟线L2回到下游的分束器22输入端口P4。

在光纤回路24中，分束器22和分束器23互为上、下游。

输入端口B2的光束经分束器23后分为两束，分别从输出端口B3和输出端口B4输出；

输入端口P4的光束经分束器22后分为两束，分别从输出端口P2和输出端口P3输出。

在整个光纤回路内存在许多延时长度不一的光束，这部分复合光束通过分束器22和分束器23会有一部分进入输出端口P3，和由输入端口P1输入经过分束器22直接进入输出端口P3的输入光束发生干涉，发生干涉后的光束经光纤输送至SFP模块31；同理一部分复合光束进入输出端口B3，和由输入端口B1输入经过分束器23直接进入输出端口B3的输入光束发生干涉，发生干涉后的光束经光纤输送至SFP模块32。

光纤延迟线L1和光纤延迟线L2长度不同，通过调节光纤延迟线的长度即可保证两干涉光束相位差保持在预定值(该预定值随意设定)，从而实现激光光源的相位涨落与干涉系统的输出光强一一对应。

SFP模组3包括至少两个SFP模块，用于探测干涉光束的瞬时光强并将其转变为对应的电流信号，再由电流信号转变为数字信号。

参见图3，以其中一个SFP模块为例，包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器。本实施方式中，光电探测器采用雪崩光电二极管(APD)；甄别整形放大器采用跨阻放大器(TIA)；数字产生器采用限幅放大器(LA)。

具体地，雪崩光电二极管用于将光信号转换为电流信号；跨阻放大器用于将微弱的电流信号转变为足够幅度的电压信号；限幅放大器用于将幅度不同的电压信号处理成等幅的1比特数字信号。

FPGA处理芯片4用来采集各个SFP模块产生的数字信号，并根据数字信号生成部分随机的二进制比特串，然后利用快速傅里叶的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。

本发明原理如下(参见图4的单个子分束器模型)：

激光光源用于产生稳定的连续相干光源，其电场可以表示为：

E₁(t)＝Eexp[iωt+iθ(t)]

分束器输入端口2输入的光束的电场可以表示为：

光电探测器的探测电流为：

通过跨阻放大器，将探测器探测到的电流信号转换为电压信号；电压信号经过限幅放大器处理成等幅的电压信号，再将等幅的电压信号处理成1比特的数字信号。将获得的多个数字信号穿插排列或者按顺序排列方式进行多路复用采集形成二进制比特串，即原始的二进制随机数。

由于系统中固有的经典噪声的影响，得到的原始序列并不是完全随机的，仍然存在较弱的关联，这一点可以通过自相关函数来验证。

其中，R(j)为自相关函数，X₁，X_j为原始序列。

因此需要对原始数据进行进一步的后续处理。首先要进行最小熵的分析。

将采集的原始二进制比特串分组，每组2n个比特为一个样本。同时对于每个样本中的比特串又可以如下划分为n个比特串，标记为X₁,X₂,…,X_n，其中X_j＝X[j,n+j],j＝1,2,...,n，表示n位的随机比特串。根据Santa-Vazirani类型弱关联随机源的特性：

δ≤P_i＝P(X_i＝x_i|X_i-1＝x_i-1,…,X₁＝x₁)≤1-δ

其中，P_i为条件概率，δ为固定的参数。

利用上式计算δ的值，即可通过下述公式得到样本序列的最小熵：

H_min(X₁…X_n)＝-log₂((1-δ)ⁿ)

另一种计算最小熵的方法为：直接计算每个样本中不同X序列的最大联合概率。其计算公式为：

H_min(X₁…X_n)＝-log₂(max(P(X_n…X₁)))

最小熵就表明了从每n个原始比特串中可以提取的真随机比特数。

最终利用快速傅里叶变换的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函数处理原始比特串，即从n位的原始比特串中提取出m比特的最终随机比特串，并且满足条件关系：m/n≤H_min。经过以上的数据后处理过程得到的随机性能够被信息理论证明的最终随机数。

利用本实施例量子随机数发生器实施的量子随机数生成方法，包括以下步骤：

S1、激光光源产生激光束；

S2、将激光束输入至延时干涉模块，使光束产生延时，并发生干涉；

S3、将干涉后的光束输出至探测处理模块，使光信号转换为电信号；通过对电信号进行放大整形后，由模拟信号转换为数字信号；

S4、根据数字信号生成部分随机的二进制比特串，并进行随机数提取得到完全的量子随机数。

为了证明最终生成随机数的随机性，本实施例对生成数据做了NIST，TESTU01等测试，最终实验结果表明生成的随机数能通过所有上述测试。

表1给出NIST测试中各个项目测试得到的P值。测试数据为3G大小的比特串,将比特串等分为500组，每组为一个样本且每个样本包含约6M比特串。为了通过测试，P值必须大于最低的有效水平α＝0.01以及满足P＞α的序列比例必须大于0.976。

表1

表2为TESTU01测试，测试数据为3G大小比特串，当P值大小趋向0或者1时，测试失败。上述两种测试中，对于测试的多个P值，选取最接近边界(最糟糕)的那个值。

表2

实施例2

参见图2，本实施例与实施例1不同的是采用3个子分束器，主分束器分出的三路子光速分别进入各个子分束器，整体延时干涉模块有三路干涉后的光束输出，相应的匹配有三个SFP模块，其工作过程和原理与实施例1同理。

本发明通过将激光光源输出的激光束的随机相位信息，转化成随机光强信息，再进行高速采样得到高速量子随机数序列。激光光源发出均匀的连续激光，经过干涉系统将相位涨落转换成光强变化，再由光电探测器转换成电压信息输入至限幅放大器，得到原始随机数序列。原始随机数再经过基于快速傅里叶变换的特普利茨(Toeplitz)矩阵处理，得到随机性能够被信息理论证明的最终随机数，可以通过NIST等随机性检验。与现有技术中采用模数转换器(ADC)的量子随机数发生器相比，限幅放大器是将幅度不同的电压信号处理成等幅的1比特的数字信号，而模数转换器是将连续变化的电压信号转换为数字信号，其位宽优选为8比特。

Claims (9)

1.一种基于激光相位涨落的量子随机数发生器，包括激光光源、延时干涉模块和探测处理模块，其特征在于，所述延时干涉模块包括：

主分束器，用于接收激光光源的输出并分束为多路子光束；

依次布置在光纤回路中的至少两个子分束器，光纤回路上在相邻两子分束器之间设有光纤延迟线，各子分束器分别接收对应的子光束以及光纤回路中上游子分束器输出的回路光束；子光束和回路光束两者分别经分束后，两者的第一分束均经由光纤回路向下游子分束器发送，两者的第二分束相互干涉后发送至探测处理模块。

2.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述子分束器为2×2保偏分束器，其中：

一个输入端接入光纤回路中与上游子分束器连接；

一个输出端接入光纤回路中与下游子分束器连接；

另一个输入端连接主分束器以接收对应的子光束；

另一个输出端连接探测处理模块以发送干涉后的光束。

3.如权利要求2所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，子分束器的分束比为50/50。

4.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述子分束器为2、3或4个。

5.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所有光纤延迟线的长度各不相同。

6.如权利要求1所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述探测处理模块包括分别接收对应子分束器输出的多个SFP模块，以及采集各SFP模块输出的数字信号和生成量子随机数的FPGA处理芯片。

7.如权利要求6所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述SFP模块包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器。

8.如权利要求7所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，其特征在于，所述光电探测器为雪崩光电二极管，所述甄别整形放大器为跨阻放大器，所述数字信号产生器为限幅放大器。

9.一种量子随机数生成方法，其特征在于，实施于权利要求1～8任一项所述的基于激光相位涨落的量子随机数发生器，具体包括以下步骤：

S1、激光光源产生激光束；

S2、将激光束输入至延时干涉模块，使光束产生延时，并发生干涉；

S3、将干涉后的光束输出至探测处理模块，使光信号转换为电信号，通过对电信号进行放大整形后，由模拟信号转换为数字信号；

S4、根据数字信号生成部分随机的二进制比特串，并进行随机数提取得到完全的量子随机数。