CN107220026B

CN107220026B - 一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法

Info

Publication number: CN107220026B
Application number: CN201710224634.9A
Authority: CN
Inventors: 郭晓敏; 刘日鹏; 郭龑强; 姬玉林; 李璞
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: CN107220026A

Abstract

本发明涉及量子高速真随机数产生方法，具体为一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法。本发明解决了现有真空量子随机数发生器其产生速率较低的问题。具体方案主要包括如下步骤：先对真空态在相空间内施加高斯分布的平移作用，实现真空态正交振幅分量噪声在相空间的放大，提高了系统中量子噪声引入的熵含量；增加数据后处理中可提取的真随机比特；增强零拍探测系统的本底光，提高探测系统对真空噪声的敏感度，放大真空噪声的测量值，使真空噪声统计的分帧量，即采样量化比特位显著增加。本发明所述的方法实现真空量子随机数产生速率的有效提高，为制备高速量子随机数发生器提供新的手段。

Description

一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法

技术领域

本发明属于一种量子高速随机数产生方法，具体为一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法。

背景技术

随机数的重要性很早便被人们熟知，它在模拟计算中的蒙特卡洛模拟统计整体的样本抽取、通讯系统的密码学系统等领域有着广泛的应用；密码学系统需要真随机数，而物理真随机数的产生和发展，为实现绝对安全的保密通讯奠定了重要的基础，近二十年来，基于量子不可克隆和测不准原理等基本量子力学原理提出的量子密钥分发(QKD) 方案已取得了重要进展，世界上许多国家已在相关领域取得了丰硕的成果，建立了各自的量子保密通讯网络，在QKD方案中整个系统的信息论可证明性是通讯安全的基本保证，用于产生密钥的随机数其随机性也必须是信息论可证明的，否则整个系统的安全性证明便不再成立。量子随机数最大的特点是其随机性的信息论可证明性，量子随机数的随机性基于量子物理的不确定性本质；在实际的量子保密通讯过程中，安全的随机数除需要具备信息论可证明的随机性，还需具备防范攻击者的能力。因此，最安全的方案是通讯双方各自拥有其本地的真随机数发生器，且产生的随机数不可预测、独一无二不可复制、且不可被窃听方关联控制。所以量子随机数发生器显的尤为重要。现在人们已经可以利用多种方法实现量子随机数的生成：（1）通过利用测量微弱光脉冲的光子数来产生量子随机数 [参见文献M. Wayne andP. Kwiat, Opt. Express, 18, 9351 (2010)]，但是在这个方案中，没有考虑在保密通信过程中遭遇第三方攻击和窃听的可能，也不具备防范攻击者的能力；（2）由真空散粒噪声实现量子随机数的生成[参见文献Y. Shen, L. Tianand H. X. Zou, Phys. Rev. A, 81,063814 (2010)]，但是由于量子随机数的产生速率受限于市场上可提供的平衡零拍探测器的带宽，而导致量子随机比特生成速率低。综上所述，现有的量子随机数生成装置不是不可被攻击者控制的，而且随机比特生成速率低。在实际的量子密钥分发方案中，随着通信距离的不断加大，速率的不断提高，势必对量子随机数的产生速率提出更高的要求。因此，如何有效提高量子随机比特生成速率，仍是不断探究的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的量子随机数发生器产生速率较低的问题，提出了一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，包括以下步骤：

（一）搭建测量光场量子态的平衡零拍装置和随机数提取装置：半导体激光器发出的单模连续激光首先经过光隔离器，保证激光不会返回到激光器影响其稳定运转；随后第一光学分束器将激光分为两束，其中透射的激光提供整个零拍探测系统的本底光，半波片和第二光学分束器配合控制本底光的光强；由第一光学分束器反射的激光作为真空场平移作用的平移光，利用电光调制器给平移光加载调制信号，调制信号由信号发生器提供给电光调制器，随后在第一45度高反镜和第二45度高反镜处透射的真空场与反射的平移光场相互耦合实现真空场的平移；最后被平移的真空场入射到 50/50光学分束器，作为整个平衡零拍探测系统的信号光；将该信号光与频率相同、位相相干的本底光在50/50光学分束器上进行空间匹配，发生干涉，然后输出反射和透射光信号；反射光和透射光信号分别经第一光学透镜和第二光学透镜入射到平衡光电探测器；由平衡光电探测器将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差被放大输出，完成平衡零拍探测装置的搭建；由射频信号发生器产生的射频信号与光电流信号在混频器上发生混频，混频器输出的信号经低通滤波器滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器转化为数字信号；随机数后处理器将处理好的数据发送到计算机，实现随机数提取装置的构建，从而实现量子随机数的实时产生；

（二）通过分析本底光强度对真空场相空间统计分布影响，确定最佳本底光强，提取量子真随机数：本底光由半波片和第二光学分束器构成的偏振分光系统精确控制相对光强，在保证平衡光电探测器不饱和的情况下，通过旋转半波片由弱到强地改变本底光相对光强，相应地测量多组光电压数据进行统计分析，计算不同本底光强度下，经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化，寻求最大相对量子熵，从而确定最佳本底光强；在最佳本底光强度下进一步确定真空态相空间平移的最佳高斯调制，对实验数据进行统计分析和等概率分帧，确定随机数产生过程中模数转化阶段的采样量化比特编码，依据量子熵相对含量对原始数据进行真随机数提取的后处理，最终提取产生该随机数发生方案的量子真随机数。

本发明平移算符的实现是通过真空场与一束较强的相干光经特定透射率的光学分束器通过干涉来实现。由光学分束器分出一部分单模平移光先经电光调制器进行光学调制，高斯信号与射频信号相干叠加作为电光调制器的调制信号，加载了调制信号的较强的平移光与真空场在分束器处发生相干耦合，该分束器用45度高反光学平面镜实现，其反射率由相干平移光场的频率和模式的空间分布决定；最终实现真空态正交振幅分量噪声分布在相空间的高斯平移，平移后的真空光场经平衡零拍探测系统探测，其噪声起伏分量作为量子真随机数的产生源。

上述的一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，所述半导体激光器采用中心波长为1550nm的LD-TC40型半导体激光器；半波片采用1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片；电光调制器采用带宽10GHz的MX-LN电光调制器；信号发生器采用100MHz的HDG2102B型信号发生器；高反镜采用OQTF25.4-1550型高性能激光反射镜；50/50光学分束器采用620-1600nm的50:50FBT-PBS054型偏振分束器；平衡光电探测器采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器；射频信号发生器采用300MHz的HP8648A型射频信号发生器；混频器采用频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器；低通滤波器采用100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明有效提高了量子随机比特产生速率，首先，通过对相空间中的真空态施加高斯分布的平移作用，实现真空态分量噪声在相空间中的放大，提高系统中量子噪声引入的熵含量，增加采样量化和数据后处理中可提取的真随机比特；同时，通过增强平衡零拍探测系统的本底光，放大真空噪声的测量值，使真空噪声统计分布的分帧量，即采样量化的比特位显著增加，提高了随机数产生速率。

（2）本发明通过实现真空态的相空间高斯平移，放大相空间中真空态正交振幅分量的噪声，实现系统量子噪声熵含量的显著提高；通过加强平衡零拍探测系统中本底光的强度，在保证探测器不饱和的前提下实现最大的真空态正交振幅分量测量值，确定使原始随机比特串中有效比特位最大的分帧数，实现有效比特位达到 6 位以上；最后在完成量子随机数的实时提取和输出，实现真空量子随机数产生速率提高到 5Gbits/s 以上。

（3）本发明实现真空量子随机数产生速率的有效提高，为真空量子随机数发生器产生速率的提高提供新的途径，为其在量子保密通讯方案中的实际应用提供了进一步的保证；可广泛应用于国家科技及信息安全等领域，尤其是在绝对安全的保密通讯中。

附图说明

图1是平衡零拍探测系统和随机数提取装置的连接示意图：其中，实现为光连线，虚线为电连线。

图2是高斯分布等概率分帧即模数转化二进制编码示意图。

图3是真空态正交分量在空间的噪声分布图。

图4是高斯分布的平移算符作用于相空间真空态产生的结果图。

图5是探测器电子学噪声和信号散粒噪声的功率—频率示意图。其中实线表示不同光强下的散粒噪声，虚线表示截止频率为2GHz时的电子学噪声。

图6是对109M大小的随机数数据Nist测试结果（图上）和对应的p-value直方图（图下）。

图中：1-半导体激光器；2-光隔离器；3-第一光学分束器；4-半波片；5-第二光学分束器；；6-电光调制器；7-信号发生器；8-第一45度高反镜；9-第二45度高反镜；10-50/50光学分束器；11-第一光学透镜；12-第二光学透镜；13-平衡光电探测器的第二入口；14-平衡光电探测器的第一入口；15-平衡探测器；16-射频信号发生器；17-混频器；18-低通滤波器；19-模数转化器；20-随机数后处理器；21-计算机；22-遮光板。

具体实施方式

一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，包括如下步骤：

（一）搭建测量光场量子态的平衡零拍探测系统：中心波长为1550nm的半导体激光器1发出的单模连续激光首先经过光隔离器2，保证激光不会返回到激光器影响其稳定运转；随后第一光学分束器3将激光分为两束，其中透射的激光提供整个零拍探测系统的本底光，半波片4和第二光学分束器5配合控制本底光的光强；由第一光学分束器3反射的激光作为真空场平移作用的平移光，利用一个带宽为10GHZ的电光调制器6给平移光加载特定的调制信号，调制信号由信号发生器7提供给电光调制器6，随后，在第一45度高反镜8和第二45度高反镜9处透射的真空场与反射的平移光场相互耦合实现真空场的特定平移；最后，被平移的真空场入射到 50/50光学分束器10，作为整个平衡零拍探测系统的信号光；将该信号光与频率相同、位相相干的本底光在50/50光学分束器10上进行空间匹配，发生干涉，然后输出反射和透射光信号；反射和透射输出的光强基本相等的两部分光信号分别经第一光学透镜11和第二光学透镜12入射到高量子效率且性能对称的带宽3KHz到1.6GHZ的平衡光电探测器的第二入口13和第一入口14；由平衡光电探测器15将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差被放大输出，完成平衡零拍探测装置的搭建；由射频信号发生器16产生的300MHz的射频信号与光电流信号在频率范围1MHz到2000MHz的混频器17上发生混频，混频器输出的信号经100MHz的低通滤波器18滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器19转化为数字信号；随机数后处理器20将处理好的数据发送到计算机21，实现随机数提取装置的构建，从而实现量子随机数的实时产生，其中，由分束器5分出的反射光被遮光板22吸收。

（二）通过分析本底光强度对真空场相空间统计分布影响，确定最佳本底光强，提取量子真随机数：由光学分束器3分出较强的本底光由半波片4和第二光学分束器5构成的偏振分光系统精确控制本底光的相对光强。在保证平衡光电探测器15不饱和的情况下，通过旋转半波片4由弱到强地改变本底光相对光强，相应地测量多组光电压数据进行统计分析，计算不同本底光强度下，经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化，寻求最大相对量子熵，从而确定最佳本底光强；在最佳本底光强度下进一步确定真空态相空间平移的最佳高斯调制，对实验数据进行统计分析和等概率分帧，确定随机数产生过程中模数转化阶段的采样量化比特编码，依据量子熵相对含量对原始数据进行真随机数提取的后处理，最终提取产生该随机数发生方案的量子真随机数。

上述的一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，所述半导体激光器1采用中心波长为1550nm的LD-TC40型半导体激光器；半波片4采用1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片；电光调制器6采用带宽10GHz的MX-LN电光调制器；信号发生器7采用100MHz的HDG2102B型信号发生器；高反镜8采用OQTF25.4-1550型高性能激光反射镜；50/50光学分束器10采用620-1600nm的50:50FBT-PBS054型偏振分束器；平衡光电探测器15采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器；射频信号发生器16采用300MHz的HP8648A型射频信号发生器；混频器17采用频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器；低通滤波器18采用100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

Claims

1.一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，其特征在于包括以下步骤：

（一）搭建测量光场量子态的平衡零拍探测系统和随机数提取装置：半导体激光器（1）发出的单模连续激光首先经过光隔离器（2），保证激光不会返回到激光器影响其稳定运转，随后第一光学分束器（3）将激光分为两束，其中透射的激光提供整个零拍探测系统的本底光，半波片（4）和第二光学分束器（5）配合控制本底光的光强，由第二光学分束器（5）分出的反射光被遮光板（22）吸收；由第一光学分束器（3）反射的激光作为真空场平移作用的平移光，利用电光调制器（6）给平移光加载调制信号，调制信号由信号发生器（7）提供给电光调制器（6），随后在第一45度高反镜（8）和第二45度高反镜（9）处透射的真空场与反射的平移光场相互耦合实现真空场的平移；最后被平移的真空场入射到 50/50光学分束器（10），作为整个平衡零拍探测系统的信号光；将该信号光与频率相同、位相相干的本底光在50/50光学分束器（10）上进行空间匹配，发生干涉，然后输出反射光和透射光信号；反射光和透射光信号分别经第一光学透镜（11）和第二光学透镜（12）入射到平衡光电探测器（15）；由平衡光电探测器（15）将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差被放大输出，完成平衡零拍探测装置的搭建；由射频信号发生器（16）产生的射频信号与光电流信号在混频器（17）上发生混频，混频器（17）输出的信号经低通滤波器（18）滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器（19）转化为数字信号；随机数后处理器（20）将处理好的数据发送到计算机（21），实现随机数提取装置的构建，从而实现量子随机数的实时产生；

（二）通过分析本底光强度对真空场相空间统计分布影响，确定最佳本底光强，提取量子真随机数：本底光由半波片（4）和第二光学分束器（5）构成的偏振分光系统精确控制相对光强，在保证平衡光电探测器（15）不饱和的情况下，通过旋转半波片（4）由弱到强地改变本底光相对光强，相应地测量多组光电压数据进行统计分析，计算不同本底光强度下，经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化，寻求最大相对量子熵，从而确定最佳本底光强；在最佳本底光强度下进一步确定真空态相空间平移的最佳高斯调制，对实验数据进行统计分析和等概率分帧，确定随机数产生过程中模数转化阶段的采样量化比特编码，依据量子熵相对含量对原始数据进行真随机数提取的后处理，最终提取产生该随机数发生方案的量子真随机数。

2.根据权利要求1所述的一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，其特征在于所述半导体激光器（1）采用中心波长为1550nm的LD-TC40型半导体激光器；半波片（4）采用1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片；电光调制器（6）采用带宽10GHz的MX-LN电光调制器；信号发生器（7）采用100MHz的HDG2102B型信号发生器；高反镜（8）采用OQTF25.4-1550型高性能激光反射镜；50/50光学分束器（10）采用620-1600nm的50:50FBT-PBS054型偏振分束器；平衡光电探测器（15）采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器；射频信号发生器（16）采用300MHz的HP8648A型射频信号发生器；混频器（17）采用频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器；低通滤波器（18）采用100MHz的BLP-100+型低通滤波器。