CN107368284B - 利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法是将两束波长不同的脉冲光与连续光经过高非线性光纤，在高非线性光纤中产生简并四波混频效应生成相位具有量子随机性的信号光。生成的信号光分成强度相等的两路，其中一路光经延迟后与另一路光干涉，输出信号的强度将会在“0”和“1”状态中随机出现，从而实时获得免量化的全光高速量子随机码。本发明所述的装置包括锁模脉冲激光器、窄线宽激光器、高非线性光纤、滤波器、光延迟线及光纤耦合器。所述的锁模脉冲激光器与窄线宽激光器的中心波长不相等。本发明所产生随机数的方法完全在光域内进行，可突破电子瓶颈限制，无需光量化技术，实时产生全光高速量子随机码。

Description

利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置

技术领域

本发明涉及全光物理随机数，具体为一种免量化的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置，可用于统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域。

背景技术

随机数在统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域中都有着重要的应用。特别是随着光纤通信技术的迅速发展，目前单信道的传输速率已达到40Gbps，下一代光纤通信网络单信道的传输速率将达到100Gps，因此产生高速随机数是保密通信技术发展的必要条件。随机数是由随机数发生器产生的，随机数发生器大致可以分为三类：伪随机数发生器、基于经典物理的物理随机数发生器及基于量子物理的量子随机数发生器。伪随机数通常是由一个种子按照一定的算法利用计算机便捷地生成高速的随机数，在现代保密通信系统中被广泛地用作密钥。但伪随机数存在两个致命的缺点：1)一旦算法与种子被破解，则密钥不仅可以复制、甚至可以预测，2)产生的随机序列存在周期性，严重破坏了保密通信的安全程度。经典物理随机数发生器是把自然界属于经典物理学的模拟随机信号作为物理熵源，通过非线性变换得到离散的二进制随机数。物理熵源的选取有很多种，比如：电路或电子器件的热噪声、散粒噪声，振荡器的频率不稳定性，电混沌等；这些方法受物理熵源带宽的限制，产生的随机数的速率一般在数十MHz一下。2007年6月，申请人所在课题组提出利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光(通常带宽为数GHz)代替混沌电路作为产生随机数的物理熵源，可构造快速随机数发生器的思想，随后引起世界各国研究小组的关注。量子随机数发生器依据量子力学的概率性本质设计，保证了随机序列的不可预测和不可再生性；遗憾的是大部分物理随机数与量子随机数的产生方案均要在电域中进行，要将光信号先通过单光子探测器或高速光电探测器转换为电信号，再借用成熟的电路技术进行后处理获得随机数。受电子器件带宽限制，很难产生更高速率的随机数，以满足大容量光通信的需要。美国斯坦福大学、哥伦比亚大学的学者提出在光域内基于参量振荡器的简并四波混频效应产生全光量子随机数的方案，分别得到速率为20kbps和2Mbps的随机数。但是，产生随机数的速率受泵浦光重复频率和谐振腔寿命及长度的制约，限制随机数速率的提高。

发明内容

本发明为解决目前生成随机数速率不高的技术问题，提供一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置。

本发明所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法是采用以下技术方案实现的：一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法，将波长不同的一束脉冲光及一束连续光作为泵浦光入射到高非线性光纤中发生简并四波混频效应，生成相对于泵浦光的相位差随机为0或π的信号光；将信号光均分成两路，一路经历光延迟后和另一路干涉，两路信号光之间的延迟时间等于脉冲光时间间隔的整数倍；根据干涉原理，发生干涉后输出信号的强度只会随机出现两种状态：光强较弱的“0”状态，光强较大的“1”状态，最终产生全光高速量子随机数。

本发明所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置是采用以下技术方案实现的(如图1所示)：一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置，包括中心波长不相同的单波长的锁模脉冲激光源和单波长的连续激光源，所述的单波长的锁模脉冲激光源与连单波长的续激光源的出射端连接第一光纤耦合器，所述的第一光纤耦合器的出射端顺次连接高非线性光纤、可调谐滤波器和第二光纤耦合器；第二光纤耦合器的一个出射端连接干涉装置，干涉装置输出端输出免量化的全光高速随机数。

本发明的工作原理包括：不同波长的锁模激光脉冲与连续激光入射到高非线性光纤内产生相位相对于泵浦光具有量子随机性的信号光，信号光相位的量子随机性保证了所产生的随机数具有不可预测性和不可再生性，天然满足真随机的所有要求。信号光分成强度相等的两路，一路经历光延迟后和原始信号发生干涉，由干涉原理可知，这部分输出信号的强度只会随机出现两种状态：光强较弱的“0”状态，光强较大的“1”状态；则输出信号的强度将会在“0”和“1”状态中随机出现，从而实时获得全光高速量子随机码。

如上所述的具有量子随机性的信号光是基于高非线性光纤内的简并四波混频效应产生的，其工作原理如下：满足相位匹配的频率为ω₁和ω₂泵浦光注入到非线性介质内产生频率为ω₃和ω₄的信号光与闲频光，此现象称为四波混频效应，示意图如图2所示。假定泵浦光无损耗的传输且信号光或闲频光相对功率较小，采用小信号处理方法，信号光及闲频光的信号增益分别为：

式中P₀为泵浦光功率、g为参量增益系数、L为非线性介质的长度、γ为介质的非线性系数；其中g²＝(γP₀)²-(k/2)²，k为净相位失配量，仅当k为零时信号增益最大。

如果采用高非线性光纤作为非线性介质，相位失配量一般来自于材料色散和非线性效应，在忽略高阶色散影响的条件下，可以求得：

k＝γP₀+β₂[(Δω_s)²-(Δω_p)²]

β₂为中心频率ω_c处光纤的二阶色散系数，Δω_s与Δω_p如图2所示。

由相位匹配条件k＝0可知：

要获得所述的信号光，即：Δω_s＝0；因此，选择合适的非线性系数且β₂>0的高非线性光纤，并适当调节泵浦光相对于中心频率的失谐量、泵浦光功率，即可发生简并四波混频效应获得相位具有量子随机性的信号光。

本发明提供的一种全光量子随机数的产生方法与装置，与现有技术相比，不仅大大提升了随机数的码率，还具有如下优点：

一、产生随机数的随机性可由量子物理的基本定律得到证明，从根本上保证了随机序列的不可预测性和不可再生性。

二、突破随机数的速率受谐振腔寿命及长度的限制，在光域内克服“电子瓶颈”及后处理的障碍，实时产生全光高速量子随机数，产生随机数的速率可达数百Gbps，呈现出诱人的发展前景。

三、所产生的全光随机数与光通信系统中所传输的信息可直接编码与加密，不再需要电光调制器将电域的随机数转变为光域，节约成本促进保密通信的发展。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

图2是本发明在高非线性光纤内产生简并四波混频效应的示意图。

图3是本发明的一个具体实施方式的结构示意图。

图中：1：单波长的锁模脉冲激光源；2：单波长的连续激光源；3：第一光纤耦合器；4：高非线性光纤；5：可调谐滤波器；6：第二光纤耦合器；7：干涉装置；1a：锁模脉冲激光源；1b：第一光纤放大器；1c：第一窄带滤波器；2a：连续激光源；2b：第二光纤放大器；2c：第二窄带滤波器；7a：第三光纤耦合器；7b：偏振控制器；7c：第一可调谐衰减器；7d：可调谐延迟线；7e：第二可调谐衰减器；7f：第四光纤耦合器。

具体实施方式

本发明所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法是将将两束波长不同的脉冲光及连续光入射到高非线性光纤中发生简并四波混频效应，生成相对于泵浦光的相位差随机为0或π的信号光；将信号光均分成两路，一路经历光延迟后和原始信号发生干涉，产生全光高速量子随机序列。本发明所述的装置包括锁模脉冲激光源、连续激光源、高非线性光纤、光纤放大器、滤波器及光纤耦合器。本发明所产生的随机数依据量子力学的概率性本质设计运行的，从根本上保证了随机序列的不可预测性和不可再生性；本发明在全光域内产生量子随机数克服了“电子瓶颈”对生成随机数速率的制约。为了更好的说明本发明的方法和装置，下面对本发明做进一步的详细说明。

如图3所示是所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置的一个具体结构示意图。其具体实施方式如下：单波长的锁模脉冲激光源1包括锁模脉冲激光源1a以及顺次连接在锁模脉冲激光源1a出射端的第一光纤放大器1b和第一窄带滤波器1c；所述单波长的连续激光源2包括连续激光源2a以及顺次连接在连续激光源2a出射端的第二光纤放大器2b及第二窄带滤波器2c；第一窄带滤波器1c和第二窄带滤波器2c均与第一光纤耦合器3相连接；所述干涉装置7包括第三光纤耦合器7a、偏振控制器7b、第一可调谐衰减器7c、可调谐延迟线7d、第二可调谐衰减器7e和第四光纤耦合器7f；第三光纤耦合器7a的一个出射端顺次连接偏振控制器7b和第一可调谐衰减器7c；第三光纤耦合器7a的另一个出射端顺次连接可调谐延迟线7d和第二可调谐衰减器7e；第一可调谐衰减器7c和第二可调谐衰减器7e共同与连接第四光纤耦合器7f；第四光纤耦合器7f输出端输出免量化的全光高速随机数；第二光纤耦合器6耦合比为1：99，第三光纤耦合器7a的入射端与第二光纤耦合器6的99％出射端相连接；第三光纤耦合器7a的耦合比为50:50。

锁模脉冲激光源1a发出的锁模激光脉冲经过第一光纤放大器1b放大，再通过中心波长为λ₁的第一窄带滤波器1c滤波；连续激光源2a发出的连续激光经过第二光纤放大器2b放大，再通过中心波长为λ₂的第二窄带滤波器2c滤波；滤波后的光束通过第一光纤耦合器3(耦合比为50：50)耦合到高非线性光纤4内产生简并四波混频效应生成波长为λ₃的信号光。产生的信号光通过中心波长为λ₃的可调谐滤波器5滤波后，连接耦合比为1：99的第二光纤耦合器6，通过分束为99的光束经过第三光纤耦合器7a(耦合比为50：50)分成两路，一路经历偏振控制器7b和第一可调谐光衰减器7c，一路经历可调谐延迟线7d(延迟时间等于脉冲光之间的时间间隔)和第二可调谐衰减器7e，然后两路光束在第四光纤耦合器7f内发生干涉，实时输出全光高速量子随机数。第二光纤耦合器6的分束比为1：99，1％的输出连接示波器用于监控产生的信号光，避免由于无信号光的产生造成生成的随机序列随机性的破坏；99％的光束用于干涉实时产生全光高速量子随机序列。适当调节偏振控制器7b提高基于简并四波混频效应产生信号光的效率，调节可调谐延迟线7d优化两束信号光之间的相位差，减少由于路径不同引起的附加相位差影响随机序列“0”、“1”脉冲的功率。图中的第一可调谐衰减器7c与第二可调谐衰减器7e用于优化两路信号光功率，减少由偏振控制器、可调谐延迟线及光纤耦合器分束比不均衡等因素导致两束信号光的功率不相等。

Claims (2)

1.一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置，其特征在于，包括中心波长不相同的单波长的锁模脉冲激光源（1）和单波长的连续激光源（2），所述的单波长的锁模脉冲激光源（1）与连单波长的续激光源（2）的出射端连接第一光纤耦合器（3），所述的第一光纤耦合器（3）的出射端顺次连接高非线性光纤（4）、可调谐滤波器（5）和第二光纤耦合器（6）；第二光纤耦合器（6）的一个出射端连接干涉装置（7），干涉装置（7）输出端输出免量化的全光高速随机数；

所述装置用于实现一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法，该方法包括如下步骤：将波长不同的一束脉冲光及一束连续光作为泵浦光入射到高非线性光纤中发生简并四波混频效应，生成相对于泵浦光的相位差随机为0或π的信号光；将信号光均分成两路，一路经历光延迟后和另一路干涉，两路信号光之间的延迟时间等于脉冲光时间间隔的整数倍；根据干涉原理，发生干涉后输出信号的强度只会随机出现两种状态：光强较弱的“0”状态，光强较大的“1”状态，最终产生全光高速量子随机数。

2.如权利要求1所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置，其特征在于，单波长的锁模脉冲激光源（1）包括锁模脉冲激光源（1a）以及顺次连接在锁模脉冲激光源（1a）出射端的第一光纤放大器（1b）和第一窄带滤波器（1c）；所述单波长的连续激光源（2）包括连续激光源（2a）以及顺次连接在连续激光源（2a）出射端的第二光纤放大器（2b）及第二窄带滤波器（2c）；第一窄带滤波器（1c）和第二窄带滤波器（2c）均与第一光纤耦合器（3）相连接；所述干涉装置（7）包括第三光纤耦合器（7a）、偏振控制器（7b）、第一可调谐衰减器（7c）、可调谐延迟线（7d）、第二可调谐衰减器（7e）和第四光纤耦合器（7f）；第三光纤耦合器（7a）的一个出射端顺次连接偏振控制器（7b）和第一可调谐衰减器（7c）；第三光纤耦合器（7a）的另一个出射端顺次连接可调谐延迟线（7d）和第二可调谐衰减器（7e）；第一可调谐衰减器（7c）和第二可调谐衰减器（7e）共同连接第四光纤耦合器（7f）；第四光纤耦合器（7f）输出端输出免量化的全光高速随机数；第二光纤耦合器（6）耦合比为1：99，第三光纤耦合器（7a）的入射端与第二光纤耦合器（6）的99%出射端相连接；第三光纤耦合器（7a）的耦合比为50:50。

Images