CN106796739B - 生成随机数的方法及相关的随机数生成器 - Google Patents
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Abstract
可以从电荷从一个导体到另一个导体的随机隧穿获得随机信号。该随机信号可以被放电，并且与随机数相关联。可以重复执行该关联以生成随机数序列。
Description
技术领域
改进通常涉及随机数生成领域。
背景技术
随机数在诸如密码学，机会博弈，科学计算和/或统计研究等许多领域中发现具有应用价值。在这些应用中，生成的随机数的随机性是非常重要的，因为随机数的可预测性会导致不安全通信，比如作弊和/或不可靠的科学结果。
因此，随机数生成器寻求的特征包括以相对高的速率生成随机数的同时使用在价格、体积等方面相对易使用的装置的能力。
为满足这些需求，以前使用的方法通常依赖于伪随机算法和/或材料的伪随机物理性质。虽然采用这些方法生成的随机数可能乍看上去似乎是完全随机的(它们甚至可能通过国家标准与技术研究所(NIST)的用于随机数生成器的统计测试套件)，但这样的伪随机生成器通常基于确定性的方法，因而其具有缺陷，一旦该缺陷最终被发现，那么就可对结果进行预测。
因此，在现有的产生随机数生成的合适装置中存在改进空间。
发明内容
与经典力学不同的是，量子力学呈现固有随机性质。本发明提供一种可将量子力学的固有随机性质用于随机数生成的方法。
更具体地，本发明提供一种生成随机数的方法，其涉及电荷(带负电荷的电子或带正电荷的空穴)随机穿过量子隧穿势垒。隧穿电荷因此可以产生低电平的随机电子噪声，该随机电子噪声可以被过滤、放大和采样，从而得到来自量子源的随机数。该方法可以通过相对简单的电子部件实现，因此可以在普通板上实现很容易得到。
电荷通过传统反射机制被势垒排斥。然而，由于量子隧穿效应，一些电荷穿过势垒，并且因而成功地从其中一个导体到达另一个导体。这种量子隧穿效应本质上是随机的，因此可被用于随机数的生成。通过电势差(例如偏压)、势垒、放大、滤波等来精确测量这种量子隧穿效应，由量子隧穿效应产生的随机数信号就可以令人满意地用于真正的随机数，并与真正的随机数相关联。并且，电子部件的测量和选择还可以允许使用非常简单的电子部件以令人满意的速率生成这样的随机数。该量子隧穿势垒可以是，例如，夹在导体之间的电绝缘体的形式。由此，因为量子隧穿是一种没有复杂而又确定性的要素的真正随机的量子过程，所以能够穿过量子隧穿势垒并且生成随机电子噪声(本文中称为随机信号)的电荷可以以真正随机的方式这样做。
此外，本发明还提供一种随机数生成器，其包括安装有量子隧穿势垒的板或者印刷电路板(PCB)，且该板适于连接至既可直接与该板合并也可单独设置的电压源(电荷源)上。由于量子隧穿可以涉及可以高速穿过量子隧穿势垒的大量的隧穿电荷，因此这样的随机数生成器在理论上允许随机数非常迅速的生成和获取。
依照本发明的一个方面，提供了一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：量子隧穿电荷穿过量子隧穿势垒由一个导体到达另一导体；接收由电荷的量子隧穿产生的随机信号；将随机信号与随机数进行关联；以及生成表明随机数的信号。
依照本发明的另一方面，提供了一种随机数生成器，其包括：板；量子隧穿势垒，其安装至两个导体之间的板上，该量子隧穿势垒允许电荷随机从其中一个导体隧穿到另一个导体，从而生成随机信号；放大器，其安装至板，并且连接至两导体中的一个导体，用于放大随机信号；采样装置，其安装至该板，并且连接至放大器，用于将随机信号与至少一个随机数进行实时关联。
依照本发明的一个方面，提供了一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：在两个导电层上施加电势差，这两个导电层被位于它们之间的至少一个绝缘层分隔开，该电势差引起穿过该至少一个绝缘层的电荷的随机量子隧穿，从而生成随机信号；以及将该随机信号与随机数进行关联。
依照本发明的另一方面，提供了一种随机数生成器，其包括：板；量子隧穿势垒，其安装至该板，具有至少两个导电层及至少一个位于这两个导电层之间的绝缘层，至少一个绝缘层具有两个外部相对面，每个面与两个导电层中相应的一个导电层相接触，这两个导电层可以连接至电压源的第一端子和第二端子，当电压源工作时，量子隧穿势垒允许电荷随机隧穿该量子隧穿势垒，从而生成随机信号；放大器，其安装至板，该放大器连接至两个导电层中的一个导电层，用于放大随机信号；采样装置，其安装至板，并且连接至放大器，用于将随机信号与至少一个随机数进行实时关联。
本领域技术人员在阅读了本发明公开的内容后，可以理解与本改进相关的许多进一步特征及其组合。
附图说明
附图中，
图1为与生成随机数相关的流程图；
图2为说明了电子撞击绝缘层的经典反射的例子和电子穿过绝缘层的量子隧穿的例子的示意图；
图3展示了根据本发明的实施例的随机数映射的例子；
图4为与随机数生成器相关的电子电路；
图5A～5C展示了具有至少一个绝缘层的量子隧穿势垒的示意图；
图6展示了量子隧穿势垒的例子的示意图；
图7展示了用于制作量子隧穿势垒的光刻制程的例子的步骤的示意图。
具体实施方式
图1为基于电荷(电子或空穴)穿过量子隧穿势垒的随机量子隧穿原理生成随机数的方法的流程图。如以下将参照图2更详细地说明，量子隧穿势垒可以是两个导体之间的间隔的形式，电荷可以通过经典反射被该量子隧穿势垒反射，或通过量子隧穿穿过该量子隧穿势垒。由穿过量子隧穿势垒的电荷随机隧穿产生的随机信号被接收(感测、监控)，并且，电脑或电子部件可以根据例如，信号的实时振幅，将该随机信号与随机数进行关联。这个过程可以以令人满意的速率重复令人满意的次数。
通过在量子隧穿势垒施加的电势差可以有选择地帮助随机量子隧穿。可以按照在引起电荷的经典反射的同时又允许电荷由于量子过程而随机穿过量子隧穿势垒的方式选择量子隧穿势垒。正如后面将结合图5A，5B，5C进行详细说明的，例如，量子隧穿势垒可以设置为一个或多个叠加绝缘层的形式，在这种情况下，导体可以包括应用于一个或多个绝缘层的导电层。当执行了施加电势差的步骤时，由于至少一个绝缘层形成的固有势垒，因而该电势差可防止电荷由一个导电层传导至另一导电层。而且，该量子隧穿势垒的绝缘层可用于穿过量子隧穿势垒的电荷的随机隧穿。本方法还包括根据随机隧穿的电荷生成随机信号的步骤。
当电荷从一个导体层隧穿至另一导体层时，隧穿的电荷的电流或流动穿过量子隧穿势垒的绝缘层。因此，这些完成随机隧穿的电荷生成随机信号，该随机信号可以在将指定时间内接收到的随机信号与随机数字进行关联的步骤中进行处理。
如图2所示，量子隧穿势垒具有至少一个绝缘层作为入射电荷的反射器。因此，通过量子隧穿随机穿过势垒的电荷已经穿过至少一个绝缘层。
此外，本方法还包括对电势差进行偏压以固定施加在两个导电层上的电势差的步骤。另外，随机信号中频率低于0.1MHZ及高于6000MHZ的组分将被滤除，从而清除随机信号中由连接在导电层上的其他电子部件导致的噪声。这样一来，随机信号中的直流(DC)部分和更高频率就被滤除了。
由于隧穿电荷生成的随机信号通常难以测量，因此上述生成随机数的方法还包括放大随机信号的步骤。随机信号的使用可以被限制在随机信号中频率在0.1MHZ～1000MHZ之间的组分，适于处理噪声的潜在不需要组分。换言之，例如，随机信号中具有直流(DC)部分和更高频率的组分不会被放大。
可以理解的是，将随机信号与随机数字进行关联的步骤可能包括本文中称为采样随机信号的步骤。该采样步骤可以将随机信号的(实时的)瞬时电平与特定数字进行关联。一旦该特定数字与随机信号的瞬时电平相关联，那么可以区分出较高有效位而仅保留较低有效位，其作用生成由其得到的随机数字的均匀分布。例如，如果采样步骤将随机信号数字化为一个8位数字，那么可以区分出较高的4个位，而使用较低的4个位。
此外，应当注意的是，由于量子隧穿可能涉及可以高速穿过量子隧穿势垒的大量隧穿电荷，所以生成随机信号的步骤可以允许随机信号的非常快速的变化，这转而允许随机数字的快速捕获速率。例如，能够以高于400000kbit/s，优选地，高于1000Mbit/s，更加优选地，高于8Gbit/s的采样速率对随机信号进行采样。然而，应当注意的是，可并联一个以上的随机数生成器，以增加生成的随机数的总量。例如，通过并联两个生成速率为8Gbit/s(1GB/s)的随机数生成器，就可以得到总生成速率为16Gbit/s(2GB/s)的随机数生成器，以此类推。
图4展示了与随机数生成器相关的电路10。随机数生成器通常包括安装有电路10的板(未图示)。随机数生成器的电路10包括可安装在板上的量子隧穿势垒12、偏压装置20、放大器16、采样装置18和滤波器14。例如，该板可能是印刷电路板(PCB)，该印刷电路板物理支撑各部件，并且通过由层压在非导电基板上的铜片刻蚀而来的导电轨道将各元件彼此电连接。如上所述，量子隧穿势垒可以设置为具有量子隧穿势垒的量子隧穿部件的形式，该量子隧穿势垒为夹在作为导体的导电层之间的一个或多个绝缘层的形式。应当注意的是，导电层可由例如，金属材料或半导体材料制成，绝缘层可由可有效抑制电子(或空穴)通过经典反射进行自由传导的任何材料制成。事实上，可以提供量子隧穿可穿过的能量势垒的任何材料均可以用在量子隧穿势垒中。例如，绝缘层可由非掺杂半导体制成。因此，两个导体层可由半导体材料制成，而绝缘层可由绝缘半导体制成。在本实施例中，绝缘半导体可以具有促使电荷(电子或者空穴)通过量子隧穿而穿过的带隙，其中，两个导体层可以是n掺杂或者p掺杂。绝缘层具有两个外部相对面，每个面均与两个导电层中的相应一个导电层接触，并且两个导电层可以与电压源的第一端子和第二端子连接。可以理解的是，电压源可安装在板上且固定连接至量子隧穿势垒的导电层，或者单独设置。
在本实施例中，偏压装置20可用于执行偏压的步骤，放大器16可用于执行放大随机信号的步骤，采样装置18可用于执行采样随机信号的步骤，滤波器14可用于执行过滤随机信号的步骤。滤波器可与量子隧穿势垒连接，该量子隧穿势垒依次与放大器和采样装置连接。当将其他电路操作性地连接时，为了获得随机数，电路可即时采样随机信号。此外，偏压装置能够固定施加在量子隧穿势垒上的电势差。因此，可以调节偏压装置的偏压来囊括可能掺入电路中的由例如，放大器或者采样装置产生的任何噪声。
图5A～5C展示了量子隧穿势垒的三个例子。这些例子中，可以看出可以使用一个或多个绝缘层。更具体地，图5A所示为具有第一厚度d1的绝缘层，图5B所示为具有两个绝缘层的量子隧穿势垒，这两个绝缘层分别具有第一厚度d1和第二厚度d2。此外，示例性地，图5C所示为具有三个绝缘层的量子隧穿势垒，这三个绝缘层分别具有第一厚度d1、第二厚度d2和第三厚度d3。虽然只提出了三个例子，该量子隧穿势垒还可能具有三个以上的绝缘层。绝缘层的材料可以改变，并且从一个连续的层到另一个层可以使用不同的材料。通常，连续的层的可以具有在势垒效应的程度上的累加效果，因而必要时可使用多个层来达到所需程度。
图6展示了根据本发明的量子隧穿势垒的顶视图。在这个例子中，量子隧穿势垒的导电层由铝等金属材料刻蚀而来，并且被层压在二氧化硅等非导电基板上。图中，量子隧穿势垒由一红线标出，并且具有例如长10μm，宽1μm，面积约10μm2的一块重叠区域。本实施例中，绝缘层夹在两个导电层之间，其中，应当注意的是，电荷可通过量子隧穿从顶部导电层穿至底部导电层。绝缘层可由氧化铝(Al2O3)制成。如图所示，绝缘层的厚度为例如，1nm，其电阻约为50欧姆。量子隧穿势垒的电阻取决于重叠区域是已知的。
虽然量子隧穿势垒的制作方法可以改变，但是为了便于说明的目的，现在将参照图7提供基于被称为Dolan Bridge的光刻技术的制作方法。在这个例子中，SF-100Xpress等光刻系统与称为LOR30B和S1813的树脂一起使用。该制作方法可能包括：清洗掉基板的杂质的步骤(a)；在清洁的基板上涂覆LOR30B树脂层，再在LOS30B树脂层上涂覆S1813树脂层的步骤(b)。然后执行将S1813树脂层的一段(可以形成Dolan桥)除外，其余部分均暴露在UV光线下的步骤(c)。接着，执行将经过紫外线照射的S1813树脂层用化学方法去除的步骤，以及将LOR30B树脂层用化学方法去除以留下完好无损的层的一段S1813(称为Dolan桥)的步骤(d)。接下来，利用Dolan桥作为掩膜，将第一导电层蒸发到基板上，以将第一导电层设置在基板上，并且从Dolan桥的一侧突出，并尽可能地延伸至多兰桥下方的基板上(e)。然后，将氧化铝绝缘层蒸发在第一导电层上(f)。使用多兰桥的另一侧，将第二导电层蒸发至绝缘层上，并尽可能地延伸至多兰桥下方的基板上，以形成重叠区域，在该区域内，绝缘层夹在两个导体层之间。最后，将Dolan桥移除，露出完整的量子隧穿部件。
此外，本领域技术人员可以理解的是，通过提供直接安装在板上的量子隧穿装置，可得到低成本的装置，且其制作过程可在专业设备，例如工厂中完成。
本领域技术人员可能知道哪些硬件部件可以用在随机数生成器中。例如，在一个实施例中，量子隧穿势垒可能具有54欧姆的电阻。偏压装置可以是偏置电源Mini-CircuitsZFBT-6GW+。采样装置可以是由UltraviewTM公司制造的，采样频率为每秒30亿次的8位数据采集板。如上所述，可通过限制采样频率来限制随机信号的连续电平之间的相关性。例如，采样频率可被限制在每秒10亿次。此外，发现将随机信号放大52dB即可满足随机数生成器的需要。放大器可以包括两个放大器Mini-Circuits ZFL-1000LN+及衰减器Mini-CircuitsBW-S3W2+，来调整随机信号的放大程度。采用这样的实施例，随机数生成器每秒可以生成40亿位数(Gbit/s)，比目前排名第二位，来自LETech的生成速率为0.4Gbit/s的随机数生成器GRANG要快得多。
还应当注意的是，当偏压电压为0V时(即，没有偏压装置时)，噪声是由热能产生的，电荷可通过量子隧穿穿过量子隧穿势垒。这种热噪声虽然在上述实施例中可以直接被用作随机信号源，但仍优选利用势垒上施加的电势差引起的量子隧穿效应来产生随机信号源。当能量eV高于kT，其中，e为电荷，V为偏压电压，k为玻尔兹曼常数，T为按照开尔文度的绝对温度，例如，V>25mV时，噪声将变成与V成比例的散粒噪声，即，V越大，生成的随机信号就越强。在这种情况下，来自电路中其他电子部件的影响可以忽略不计。但是，对V进行偏压是优选的。例如，如果量子隧穿势垒超过崩溃阈值，那么该量子隧穿势垒可以崩溃，这可以激励偏压。在所述和所示的例子中，在V＝0.25V实现量子隧穿势垒的适当使用。
此外，还应当注意的是，采样装置可以设置为数字比较器的形式，该数字比较器的一个输入值为随机信号，另一输入值为零。当随机信号为正时，该数字比较器适于输出二进制数字1，否则，输出二进制数字0。这种设置中，可以使用已知算法来防止另一输入值的零值偏差。因此，可以使用该数字比较器得到一串连续且随机的1和0二进制数字，这些数字可用来提供随机数。本领域技术人员可以理解的是，为了限制随机数生成器的成本，放大器和采样装置的频率应限制在kHz数量级。另外，偏压装置可以直接集成到放大器中。这样得到的偏压装置既能够对电势差进行偏压，也能将同一电子部件中的偏压电势差放大。还应当注意的是，只要在不干扰放大器的前提下，就可以对电势差进行偏压。尽管本实施例中展示了如何使用采样装置或数字比较器将随机噪声转换为随机数，但本领域技术人员也可根据本发明实施其他技术。
还应当注意的是，随机数生成器可以安装在通用串行总线(USB)设备上，该USB设备可以提供便携式设备，并可采用USB 2.0达到480Mb/s的传输速度，甚至采用USB3.0达到更高的传输速度。或者，随机数生成器也可以安装在外围部件互连(PCI)设备上，达到1Gb/s～17Gb/s的传输速度。除此之外，随机数生成器还可以直接利用原始设备制造商(OEM)的主板来实现。
可以通过增加电势差来增强信号。或者，对结进行加热也可以增强量子噪声，从而增强信号。应当理解的是，本说明书的上述实施例仅为示例性的。本公开的范围和精神由所附权利要求书确定。
Claims (18)
1.一种生成至少一个随机数的方法，该方法包括以下步骤：
生成从两个导体中的第一导体隧穿过绝缘体到达这两个导体中的第二导体的电荷的电流，隧穿的所述电荷的电流具有由于量子隧穿而随机变化的瞬时电平并且形成随机信号，其中，所述两个导体中的每个导体均被配置为能够连接至电压源的相应端子；
将所述随机信号的瞬时电平与随机数进行关联；
生成表明所述随机数的指示，
其中，所述方法还包括通过在所述两个导体上施加电势差产生所述量子隧穿，其中，在所述施加电势差的过程中，通过所述电势差，量子隧穿势垒引起被驱动的电荷的经典反射与所述量子隧穿势垒撞击。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述关联之前将所述随机信号的瞬时电平放大。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放大仅适用于所述随机信号的瞬时电平在0.1MHz～1000MHz的频率带宽内的组分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关联还包括对所述随机信号的瞬时电平采样。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采样还包括根据采样到的所述随机信号的多个比位中的最低有效位中的一个或多个确定所述随机数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采样以高于每秒10亿次采样的速率进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个导体处于导电层夹住所述绝缘体的形式。
8.一种随机数生成器，包括：
量子隧穿势垒，其具有绝缘体，所述绝缘体具有两个相对的外部面，这两个相对的外部面中的每一个外部面均与两个导体中的相应一个导体接触，所述量子隧穿势垒允许电荷从所述两个导体中的一个导体随机隧穿过所述绝缘体到达另一个导体以形成穿过所述绝缘体的隧穿的电荷的电流，隧穿的所述电荷的电流具有由于量子隧穿而随机变化的瞬时电平并且形成随机信号，其中，所述两个导体中的每个导体均被配置为能够连接至电压源的相应端子；
放大器，其连接至所述两个导体中的一个导体，用于放大所述随机信号；
采样装置，其连接至所述放大器，用于将所述随机信号的瞬时电平与至少一个随机数进行实时关联；以及
电压源，其连接至所述两个导体，并且可操作以产生电势差，所述电势差引起所述电荷从所述两个导体中的一个导体随机隧穿过所述绝缘体到达另一个导体以形成隧穿的所述电荷的电流。
9.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述两个导体处于导电层夹住所述绝缘体的形式。
10.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述量子隧穿势垒防止所述电压源的电荷以经典反射的方式穿过所述量子隧穿势垒。
11.根据权利要求9所述的随机数生成器，其特征在于，所述两个导电层中的至少一个导电层由金属材料制成。
12.根据权利要求9所述的随机数生成器，其特征在于，所述两个导电层中的至少一个导电层由半导体材料制成。
13.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，还包括板，所述板是以印刷电路板(PCB)的形式提供，所述印刷电路板机械支撑所述量子隧穿势垒、所述导体、所述放大器及所述采样装置，所述印刷电路板具有由层压在非导电基板上的铜片刻蚀而来的导电轨道，所述导电轨道将元件彼此电连接。
14.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述采样装置为采样频率为每秒30亿次的数据采集板。
15.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述放大器将所述随机信号放大50dB以上。
16.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述放大器具有0.1MHz到1000MHz的放大带通。
17.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，还包括：偏压装置，其位于所述量子隧穿势垒和所述放大器之间，所述偏压装置用来对所述电压源进行偏压，并且固定施加在所述量子隧穿势垒上的电势差；以及
滤波器，其位于所述量子隧穿势垒和所述放大器之间。
18.根据权利要求8所述的随机数生成器，其特征在于，所述随机数生成器与至少一个其他随机数生成器并联。
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