CN106445465B - 一种基于相位噪声的真随机数产生装置 - Google Patents

一种基于相位噪声的真随机数产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于相位噪声的真随机数产生装置，包括一个激光器，用于产生带有相位噪声的一束激光；一控制元件，用于对上述激光进行强度控制；一分束片，用于将经过控制元件的激光分为第一束激光与第二束激光；一声光调制器，用于对上述的第二束激光移动中心频率；一光干涉元件，用于对上述第一束激光与经过声光调制器的第二束激光进行干涉，得到干涉光；两个光电转换元件，用于将上述光信号转化为电信号；一混频器，用于将上述两个电信号进行混频，得到一混频信号；一滤波元件，用于将上述混频信号进行高频滤波，得到一正比于上述相位噪声的模拟信号；一模数转换元件，用于将上述模拟信号转化为数字信号，即真随机数。

Description

一种基于相位噪声的真随机数产生装置
技术领域
本发明涉及信息科学量子通信中量子随机数领域，尤其涉及一种基于相位噪声的真随机数产生装置。
背景技术
随机数在密码学和安全通信中有着重要的作用，同时在模拟、博彩等等一系列场合也有着广泛应用。在量子通信中，尤其是量子密钥分发技术中，随机数同样有着至关重要的作用。为了实现理论上无条件安全的安全通信，需要结合量子密钥分发技术和“一次一密”方案，因此需要理想的、完全随机的、足够长的随机数序列。
到目前为止，公认的只有量子物理中的某些物理过程，能够产生理论上完美的随机数，即产生真随机数。因此，量子随机数即成为产生真随机数的唯一方式，也是量子信息中一个重要的分支，其产生的随机数成为量子密钥分发和其他技术的安全性基石。
一般来说，现有量子随机数发生器所采用的随机性来源，是一些量子噪声，其种类繁多。其中，源于自发辐射的相位噪声由于其实验方案简单，容易测量等优点被人们所广泛使用来产生量子随机数。
通过自发辐射的相位噪声来产生随机数的主流方案之一是光拍频的方式。其主要原理图如图1所示。
原始激光场(有相位噪声)：
延时后的激光场：
到达合束模块，合束光场为：
光场强度：
其中：
这里由于自发辐射光子在激光腔内做的是布朗运动，所以其实是均匀白噪声。通过解Fokker-Planck方程可以解出激光相位的条件概率分布：
所以其实是一个高斯分布的随机变量。
最后将所得到的I(t)进行取交流的操作(高通滤波)，再进行放大，可以得到与相位噪声相关的电压值变化：
但是利用这种方式来产生量子随机数容易引入一些经典噪声，比如电噪声、光纤抖动噪声等，使得产生的量子随机数会出现一些偏置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于相位噪声的真随机数产生装置，使引入的一些经典噪声相互抵消，并且有效避免了随机数序列产生速率受到延时的限制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于相位噪声的真随机数产生装置，包括：
一个或两个激光器，用于产生带有相位噪声的一束或两束激光；
一光干涉元件，用于对上述带有相位噪声的激光进行干涉，得到干涉光；
两个光电转换元件，用于将上述光信号转化为电信号；
一混频器，用于将上述两个电信号进行混频，得到一混频信号；
一滤波元件，用于将上述混频信号进行高频滤波，得到一正比于上述相位噪声的模拟信号；
一模数转换元件，用于将上述模拟信号转化为数字信号，即真随机数。
进一步地，所述光干涉元件为一2*2偏振分束片。
进一步地，所述光电转换元件为光电探测器。
进一步地，所述混频器为一乘法器。
进一步地，所述滤波元件为一低通滤波器。
进一步地，所述模数转换元件为一模数转换器。
进一步地，该装置还包括：
一控制元件，用于对上述一个激光器产生的一束激光进行强度控制；
一分束片，用于将上述激光分为第一束激光与第二束激光；
一声光调制器，用于对上述的第二束激光移动中心频率，以便于第二束激光与上述第一束激光在光干涉元件中干涉。
进一步地，该装置还包括：
两个控制元件，用于对上述两个激光器产生的两束激光进行强度控制，以便于该两束激光在光干涉元件中干涉。
进一步地，所述控制元件为衰减器。
本发明的有益效果在于：本发明通过采用激光器来产生带有相位噪声的激光，有效的避免了传统的光拍频方案中对一束激光的延时操作，即消除了该延时对随机数序列产生速率的限制；同时本发明通过采用激光器发出的激光，让其通过一个干涉、混频以及滤波的操作，在一定程度上消除了一些经典噪声，使得到的随机数序列的质量提高。
附图说明
图1为原始光拍频方案的原理图。
图中：1-激光器、2-分束片、3-分束片、4-反光镜、5-延时光纤、6-反光镜、7-探测器、8-采样模块、9-真随机数信号。
图2为本发明一实施例中真随机数产生装置的结构示意图。
1-激光器、2-衰减器、3-分束片、4-2*2偏振分束片、5-声光调制器、6-光电探测器1、7-光电探测器2、8-乘法器、9-低通滤波器、10-模数转换器、11-真随机数信号。
图3为图2的信号流程图。
图4为本发明另一实施例中真随机数产生装置的结构示意图。
图中：1-激光器1、2-激光器2、3-衰减器1、4-衰减器2、5-2*2偏振分束片、6-光电探测器1、7-光电探测器2、8-乘法器、9-低通滤波器、10-模数转换器、11-真随机数信号。
图5为图4的信号流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
【实施例1】
本发明可以只采用一个激光器，其结构示意图如图2所示，沿着信号流向依次包括一个激光器、一个衰减器、一分束片、一声光调制器、一2*2偏振分束片、两个光电探测器、一乘法器、一低通滤波器、一模数转换器。其中激光器用于发出一束激光，由于激光器产生激光(主要是受激辐射)时，同时会不可避免的产生自发辐射，大量的自发辐射综合效应就会在激光中造成相位上的波动，也就是我们说的相位噪声，它是来自具有量子效应的自发辐射，所以具有真随机性。
所述衰减器的一端与激光器相连，另一端与分束片的一端相连，衰减器用于控制光强，防止激光器产生的激光太强，损毁装置。所述分束片另一端的两个端口用于各产生一束激光，即第一束激光和第二束激光。所述2*2PBS(偏振分束片)同一端的两个端口，一个直接与上述分束片的另一端相连，另一个通过一声光调制器与上述分束片的另一端相连；即从分束片出来的第二束激光通过一声光调制器移动中心频率，然后与第一束激光在一2*2PBS中干涉，得到两束干涉光。所述光电探测器用于将上述2*2PBS产生的两个光信号转化为两个电信号，以便于后续的操作和测量。所述乘法器同时与两个光电探测器相连，将前面得到的两个电信号进行一个相乘的操作，得到一个相乘信号。所述低通滤波器将所述的相乘信号中和频分量滤去，只剩下差频分量，该差频分量信号正比于所述相位噪声信号。所述模数转换器用于将该差频分量信号转化为数字信号，即得到真随机数。
请参考图2与图3，下面以一具体实施例来解释说明本发明：
首先由一个激光器发出一束激光：
其中为激光的相位噪声，其包括经典相位噪声/>(主要是光纤相位噪声，在光纤中传播的时候会引入)和由激光器自发辐射造成的量子相位噪声/>即
上述激光通过一个分束片分为两束激光：
其中，第二束激光又通过一个声光调制器，造成了延时以及中心频率的变动，得到：
之后两束激光通过一个2*2的PBS进行干涉，得到：
然后两束激光分别通过了一个t1与t2的延时后，经过光电探测器，得到两个电信号：
其中：
将上述两个电信号取交流后通过一乘法器，可以得到一个交流信号相乘之后的信号，即：
其中Δω是由声光调制器进行调节的，当选取合适的值时，可以消去上式中的高频部分，保留低频部分：
通过调节探测延时，当t1和t2非常接近时，一些经典噪声如光纤抖动噪声(几Khz)、低频电噪声(几十Mhz以下)等，通过低通滤波的操作，可以近似的消去这些经典噪声。
通过上面的分析最后得到：
相位噪声
最后将该信号经过一个模数转换器，通过模数转换器将所得到的模拟信号转化为数字比特，便可以得到一系列真随机数序列。
【实施例2】
本发明也可以采用两个激光器，其结构示意图如图3所示，沿着信号流向依次包括两个激光器、两个衰减器、一2*2偏振分束片、两个光电探测器、一乘法器、一低通滤波器、一模数转换器。其中两个激光器用于分别发出两束激光，由于激光器产生激光(主要是受激辐射)时，同时会不可避免的产生自发辐射，大量的自发辐射综合效应就会在激光中造成相位上的波动，也就是我们说的相位噪声，它是来自具有量子效应的自发辐射，所以具有真随机性。
所述两个衰减器的一端分别与两个激光器相连，另一端与一2*2偏振分束片同一端的两个端口相连，衰减器用于控制光强，防止激光器产生的激光太强，损毁装置。所述2*2偏振分束片另一端的两个端口分别与两个光电探测器相连，PBS(偏振分束片)的作用是使两个激光器发出的两束激光进行干涉，得到两束干涉光。所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，以便于后续的操作和测量。所述乘法器同时与两个光电探测器相连，将前面得到的两个电信号进行一个相乘的操作，得到一个相乘信号。所述低通滤波器将所述的相乘信号中和频分量滤去，只剩下差频分量，该差频分量信号正比于所述相位噪声信号。所述模数转换器用于将该差频分量信号转化为数字信号，即得到真随机数。
请参考图4与图5，首先由两个连续激光器发出激光，假设激光器1、2发出的激光为：
其中和/>分别为激光1和激光2的相位噪声，其包括经典相位噪声/>(主要是光纤相位噪声，在光纤中传播的时候会引入)和由激光器自发辐射造成的量子相位噪声/>即
上述激光1和激光2分别经过衰减器1、2后得到衰减后激光1、2，之后通过一2*2PBS使两束衰减后激光进行干涉得到激光3和4，注意这里可是矢量相加(没有和项)。
激光3和激光4又分别经过了t1和t2的时间到达光电探测器，得到
由光电探测器转化为电流信号i3和i4：
i3(t,t1)∝I3(t,t1)
i4(t,t2)∝I4(t,t2)
由于光电探测器可视作一个带通滤波器，所以经过光电探测器后激光3和激光4只保留交流分量，也就是取电流i3和i4的交流分量：
利用乘法器使激光3和激光4的强度相乘，也就是让电流i3和i4相乘，得到
其中：
Δω＝ω1-ω2
相应地，经过乘法器后的电流信号为：
i34(t)＝i3(t)×i4(t)∝I3(t1)AC×I4(t2)AC
其中Δω项可以通过调节激光器的中心频率来进行调节，当该项取值合适时，就可以通过一个低通滤波器取低频部分，滤去高频部分：
继而得到：
由于其中的项中包含经典相位噪声和量子相位噪声，也就是/>和/>项，通过调节探测延时，当t1和t2非常接近时，一些经典噪声如光纤抖动噪声(几Khz)、低频电噪声(几十Mhz以下)等，通过低通滤波的操作，可以近似的消去这些经典噪声，也就是/>项，并且由于Δω(t1-t2)项是一个常量，所以可以得到一个与相位噪声成正比的信号。
即最后得到：
相位噪声
由上述可知，通过合适的控制Δω和探测延时t1,t2，可以得到一个主要由量子相位噪声决定的信号，因此可以利用该信号来产生基于量子物理的真随机数。最后将该信号经过一个模数转换器，通过模数转换器将所得到的模拟信号转化为数字比特，便可以得到一系列量子随机序列。
以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (5)

1.一种基于相位噪声的真随机数产生装置，包括：
一激光器，用于产生带有相位噪声的一束激光；
一衰减器，用于对上述激光器产生的一束激光进行强度控制；
一分束片，用于将上述激光分为第一束激光与第二束激光；
一光干涉元件，用于对上述带有相位噪声的激光进行干涉，得到干涉光；
一声光调制器，用于对上述的第二束激光移动中心频率，以便于第二束激光与上述第一束激光在光干涉元件中干涉；
两个光电转换元件，用于将干涉光信号转化为电信号；
一混频器，用于将上述两个电信号进行混频，得到一混频信号；
一低通滤波器，用于将上述混频信号进行高频滤波，得到一正比于上述相位噪声的模拟信号；
一模数转换元件，用于将上述模拟信号转化为数字信号，即真随机数；
或者包括：
两个激光器，用于产生带有相位噪声的两束激光；
两个衰减器，用于对上述两个激光器产生的两束激光进行强度控制，以便于该两束激光在光干涉元件中干涉；
一光干涉元件，用于对上述带有相位噪声的激光进行干涉，得到干涉光；
两个光电转换元件，用于将干涉光信号转化为电信号；
一混频器，用于将上述两个电信号进行混频，得到一混频信号；
一低通滤波器，用于将上述混频信号进行高频滤波，得到一正比于上述相位噪声的模拟信号；
一模数转换元件，用于将上述模拟信号转化为数字信号，即真随机数。
2.如权利要求1所述的基于相位噪声的真随机数产生装置，其特征在于，所述光干涉元件为一2*2偏振分束片。
3.如权利要求1所述的基于相位噪声的真随机数产生装置，其特征在于，所述光电转换元件为光电探测器。
4.如权利要求1所述的基于相位噪声的真随机数产生装置，其特征在于，所述混频器为一乘法器。
5.如权利要求1所述的基于相位噪声的真随机数产生装置，其特征在于，所述模数转换元件为一模数转换器。
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