CN108037907A - 一种基于真空并行的量子随机数产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子随机数产生领域，提出了一种基于真空并行的量子随机数产生方法，包括以下步骤：搭建光场真空态的平衡零拍探测系统，进行平衡零拍探测；使平衡零拍探测得到光电流信号与10MHz的射频信号混频并滤波后，进行等概率分帧以及二进制编码，并计算纯量子熵；改变分帧数，重复计算纯量子熵，将得到最大纯量子熵时的分帧数作为最佳分帧数；将平衡零拍探测得到光电流信号分为多路光电流子信号输出，每一路分别与不同频率的射频信号进行混频滤波后输入FPGA；通过FPGA进行多频模数据采集，模数转换和随机数提取，使各路产生的纯随机数子序列合并输出；本发明可以使真空量子随机数的产生速率较传统方案成倍地增长，可广泛应用于量子随机数领域。

Description

一种基于真空并行的量子随机数产生方法

技术领域

本发明属于量子随机数产生领域，具体涉及一种基于真空并行的量子随机数产生方法。

背景技术

密码学系统需要“强”随机数，这类随机数需要具备两方面特征—好的统计特性与不可预测性—统计特性服从均匀随机分布，同时具有高的熵含量。物理随机数的产生源于物理世界中的真随机现象，基于自然界中具有真随机性的物理熵源，通过物理测量手段和真随机数提取产生最终的随机数输出，所以物理随机数产生源也被称为真随机数发生器。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。量子密钥分发(QKD)的安全性是基于信息安全理论、通过物理层的方法来实现的，是无条件安全的。在这类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。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。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，且各自的随机数发生器产生的随机数不可预测、独一无二不可复制、且不可被窃听方控制。例如利用光子空间分辨能力产生的量子随机数便存在上述隐患。

利用光场量子态中最低能量的纯态—真空态—产生量子随机数的方法显现出了独特的优势。量子纯态与任何其他量子态作用始终可以写成直积的形式，即为分离态，这意味着量子纯态不可能与任何其他量子态发生关联，所以测量量子纯态所得的测量结果不会与其他任何系统的测量结果发生关联。也就是说，理想情况下量子纯态的测量结果是不可能被第三方拷贝或控制的，利用量子纯态可以获得不可预测、不可复制、独一无二的真随机数。然而由于探测器带宽、真随机数提取算法速度等的限制，目前报道的最快的真空量子随机数产生速率刚刚达到约1Gb/s。而实际的QKD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，如何有效提高真空量子随机数的产生速率，仍是不断探究的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的真空量子随机数的产生速率较低的问题，提出了一种真空并行量子随机数产生方法，以提高真空量子随机数的产生速率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于真空并行的量子随机数产生方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建光场真空态的平衡零拍探测系统，使本底光和真空场经50/50光学分束器发生干涉，经分束器输出光强基本相等的两束光信号后进行平衡零拍探测得到光电流信号；

步骤2：使平衡零拍探测得到光电流信号与10MHz的射频信号混频并经低通滤波器滤波后，通过数据采集卡进行数据采集，将采集的数据进行高斯拟合；

步骤3：设定分帧数，对高斯拟合后的数据进行等概率分帧，并将对每一帧进行二进制编码得到的比特串作为原始数据，然后计算该原始数据所包含的纯量子熵，所述纯量子熵为所述原始数据的总熵值减去经典噪声熵；

步骤4：改变分帧数，重复步骤3，直到得到最大纯量子熵，将得到最大纯量子熵时的分帧数作为最佳分帧数；

步骤5：通过分流器将平衡零拍探测得到光电流信号分为多路光电流子信号输出，每一路光电流子信号分别与不同频率的射频信号通过混频器进行混频、通过低通滤波器进行滤波，滤波后输入FPGA；

步骤6：通过FPGA进行多频模数据采集，模数转换和随机数提取，最后使各路产生的纯随机数子序列合并输出；进行模数转换时，以最佳分帧数对采集到的数据进行等概率分帧后再进行二进制编码；进行随机数提取时，以得到的最大纯量子熵作为关键参量，通过广义Hash随机数提取算法进行后处理，得到纯随机数。

所述步骤5中，通过分流器将平衡零拍探测得到光电流信号分为5路光电流子信号输出。

所述的一种基于真空并行的量子随机数产生方法，采用中心波长1550nmLD-TC40型半导体激光器输出连续波激光作为平衡零拍探测的本底光，采用100MHz的HDG2102B型信号发生器输出的信号作为真空态信号光，采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器进行平衡零拍探测；采用频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器以及频率为100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

所述FPGA型号为AX7102。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明实现了量子随机比特产生速率的有效提高，基于此方法可以使真空量子随机数的产生速率较传统方案成倍地增长，而且随着光电探测技术的不断提高，并行真空量子随机数的可扩展性还将不断体现，随机数产生速率提升的空间还会更大。

（2）本发明在确定了单路原始随机序列的熵的前提下，采用广义Hash函数从每一路的原始数据中实时提取纯随机子序列，最后将五路的纯随机子序列进行合并输出，最终实现真空随机数产生速率达到传统方式的五倍即达到5Gb/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。

（4）区别于现有技术中的等距分帧，等距分帧高斯分布的噪声产生的随机数自然也是高斯偏差的，而非均匀分布，因此现有技术中等距分帧的情况下用香农熵衡量并不合理，本发明在进行分帧编码时，通过高斯拟合后再进行等概率分帧，等概率分帧则产生的即为均匀分布的随机数，可以直接由香农熵进行熵衡量，因此本发明应用的等概率分帧方式是信息论完备的；此外，由于理想的平衡零拍探测系统可以消除探测器和本底光经典噪声对光场量子分量起伏测量的影响，实际的实验操作中由于分束器分光的不完美平衡、探测器噪声等将引入一定的经典噪声，这些将对产生的随机数引入偏差，本发明通过计算经典噪声引入的熵值大小，从原始数据的总熵值扣除经典噪声熵即，计算原始数据所包含的纯量子熵的大小，分析不同分帧数的情况下纯量子熵的大小，以纯量子熵最大时的分帧数为最佳分帧数进行分帧编码，以此作为数据后处理中真随机数提取的参数，使后续进行随机数提取时，随机数的提取比例也最高，相应地随机数产生速率也较高；而且，最后的Hash处理祛除了原始数据中的经典噪声熵含量，保证最终输出的随机数全部来源于量子熵。

附图说明

图1为本发明的平衡零拍探测系统示意图；

图2为本发明中高斯分布的等概率分帧（模数转换）示意图；

图3为本发明中真空量子随机数产生的流程示意图；

图4为本发明所使用的真空并行量子随机数发生器实验原理图；

图中，1-半导体激光器；2-光学分束器；3-光电探测器；4-射频发生器；5-低通滤波器；6-平衡探测器；7-混频器；8-FPGA；9-光隔离器；10-信号发生器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于真空并行量子随机数的产生方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建光场真空态的平衡零拍探测系统。平衡零拍探测系统的示意图如图1所示，如图4所示为本发明所使用的真空并行量子随机数发生器实验原理图，半导体激光器1输出连续波激光作为平衡零拍探测的本底光，与信号发生器10发出的被测信号光（真空场）经50/50光学分束器2发生干涉，经光学分束器2反射和透射输出的光强基本相等的两部分光信号分别由一对高量子效率且性能对称的光电探测器3探测。两个探测器3将探测到的光信号输入给平衡探测器6后，强度起伏转换为宽带的光电流信号起伏，光电流信号的差信号比例于真空场的正交分量起伏，且将其放大到了宏观水平。本发明实施例中，采用中心波长1550nmLD-TC40型半导体激光器输出连续波激光作为平衡零拍探测的本底光，采用100MHz的HDG2102B型信号发生器输出的信号作为真空态信号光，采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器进行平衡零拍探测。

步骤2：使平衡零拍探测得到光电流信号与10MHz的射频信号混频并经低通滤波器滤波后，通过数据采集卡进行数据采集，将采集的数据进行高斯拟合。

步骤3：设定分帧数，对高斯拟合后的数据进行等概率分帧，并将对每一帧进行二进制编码得到的比特串作为原始数据，然后计算该原始数据所包含的纯量子熵，所述纯量子熵为等概率分帧后进行二进制编码的得到的比特串的总熵值减去经典噪声熵。

步骤4：改变分帧数，重复步骤3，直到得到最大纯量子熵，将得到最大纯量子熵时的分帧数作为最佳分帧数。

其中，进行分帧编码时，取一较小相位区间的数据做高斯统计，分帧和二进制编码。由真空态正交分量起伏特性，其正交分量在相空间中各个相位角方向的分布均符合标准高斯分布。本发明中，通过射频发生器产生约10MHz的射频信号，平衡零拍探测得到的光电流信号与射频信号混频并经低通滤波器滤波后，提取真空场探测器带宽范围内的一个频率模的正交分量起伏方差，由数据采集卡进行数据采集。采集的数据进行高斯拟合，对正交分量起伏方差的高斯分布进行等概率分帧，对每一帧进行二进制编码。如图2所示，本发明中的等概率分帧是指，进行高斯拟合后，按照高斯分布统计结果划定每一帧的上下限，保证划分在每一帧内的数据量等概率。本发明在进行分帧编码时，通过高斯拟合后再进行等概率分帧，等概率分帧则产生的即为均匀分布的随机数，可以直接由香农熵进行熵衡量，因此本发明应用的等概率分帧方式是信息论完备的。

此外，理想的平衡零拍探测系统可以消除探测器和本底光经典噪声对光场量子分量起伏测量的影响，实际的实验操作中由于分束器分光的不完美平衡、探测器噪声等将引入一定的经典噪声，这些将对产生的随机数引入偏差。所以需要计算经典噪声引入的熵值大小，从原始数据的总熵值扣除经典噪声熵即，计算原始数据所包含的纯量子熵的大小，以此作为数据后处理中真随机数提取的参数。分析不同分帧数的情况下纯量子熵的大小，纯量子熵最大时的分帧数为最佳，据此编写原始随机数提取的计算程序。

步骤5：如图4所示，通过分流器将平衡零拍探测得到光电流信号分为五路光电流子信号输出，通过混频器7使每一路光电流子信号分别与不同频率的射频信号进行混频，然后通过低通滤波器5进行滤波后输入FPGA；

步骤6：通过FPGA进行多频模数据采集，模数转换和随机数提取，最后使各路产生的纯随机数子序列合并输出；模数转换是指对采集到的各频模数据进行分帧以及二进制编码，其中，进行模数转换时，以最佳分帧数对采集到的数据进行等概率分帧；进行随机数提取时，以得到的最大纯量子熵作为关键参量，通过广义Hash随机数提取算法进行后处理，得到纯随机数。

用做熵源提取量子随机信号的真空噪声光电流信号的频谱宽度决定于光电探测器的带宽。平衡零拍探测输出光电流信号经分流器分为五路输出，分别与不同频率的射频信号混频并低通滤波，最后分别对每一路的信号进行模数转换和随机数提取。采用广义Hash随机数提取算法对原始数据后处理，各路产生的纯随机数子序列合并输出。

本发明通过计算经典噪声引入的熵值大小，从原始数据的总熵值扣除经典噪声熵即，计算原始数据所包含的纯量子熵的大小，分析不同分帧数的情况下纯量子熵的大小，以纯量子熵最大时的分帧数为最佳分帧数进行分帧编码，以此作为数据后处理中真随机数提取的参数，使后续进行随机数提取时，随机数的提取比例也最高，相应地随机数产生速率也较高；而且，最后的Hash处理祛除了原始数据中的经典噪声熵含量，保证最终输出的随机数全部来源于量子熵。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于真空并行的量子随机数产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建光场真空态的平衡零拍探测系统，使本底光和真空场经50/50光学分束器发生干涉，经分束器输出光强基本相等的两束光信号后进行平衡零拍探测得到光电流信号；

步骤2：使平衡零拍探测得到光电流信号与10MHz的射频信号混频并经低通滤波器滤波后，通过数据采集卡进行数据采集，将采集的数据进行高斯拟合；

步骤3：设定分帧数，对高斯拟合后的数据进行等概率分帧，并将对每一帧进行二进制编码得到的比特串作为原始数据，然后计算该原始数据所包含的纯量子熵，所述纯量子熵为所述原始数据的总熵值减去经典噪声熵；

步骤4：改变分帧数，重复步骤3，直到得到最大纯量子熵，将得到最大纯量子熵时的分帧数作为最佳分帧数；

步骤5：通过分流器将平衡零拍探测得到光电流信号分为多路光电流子信号输出，每一路光电流子信号分别与不同频率的射频信号通过混频器进行混频、通过低通滤波器进行滤波，滤波后输入FPGA；

步骤6：通过FPGA进行多频模数据采集，模数转换和随机数提取，最后使各路产生的纯随机数子序列合并输出；进行模数转换时，以最佳分帧数对采集到的数据进行等概率分帧后再进行二进制编码；进行随机数提取时，以得到的最大纯量子熵作为关键参量，通过广义Hash随机数提取算法进行后处理，得到纯随机数。

2.根据权利要求1所述的一种基于真空并行的量子随机数产生方法，其特征在于，所述步骤5中，通过分流器将平衡零拍探测得到光电流信号分为5路光电流子信号输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于真空并行的量子随机数产生方法，其特征在于，采用中心波长1550nmLD-TC40型半导体激光器输出连续波激光作为平衡零拍探测的本底光，采用100MHz的HDG2102B型信号发生器输出的信号作为真空态信号光，采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器进行平衡零拍探测；采用频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器以及频率为100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种基于真空并行的量子随机数产生方法，其特征在于，所述FPGA型号为AX7102。