CN108369496A - 一种产生随机数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种产生随机数的装置和方法，能够基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。该装置包括：电子对产生器(110)，用于生成第一电子对，第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；电子对分离器(120)，用于对第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，该两个独立的电子的自旋方向相反、迁移方向彼此独立；随机数产生器(130)，用于接收该电子对分离器(120)输出的第一输入电子，并根据该第一输入电子的自旋方向，生成随机数，该第一输入电子是该两个独立的电子中的一个电子。

Description

一种产生随机数的装置和方法 技术领域

本发明涉及信息科学领域，并且更具体地，涉及一种产生随机数的装置和方法。

背景技术

随机数在雷达系统、保密通信系统、仿真模拟等领域有着广泛的应用。

随机数可以分为真随机数和伪随机数。真随机数只存在于物理现象的不确定性中，例如，生活中的掷硬币、量子现象等完全不可预测的物理过程。伪随机数是以真随机数为“种子”，通过随机函数进行计算，生成的随机数。

目前广泛应用的随机数产生器都是基于上述伪随机数的产生方法生成随机数。但是，通过这种方法产生的随机数，并不真正地随机，在随机种子或者随机函数被窃取时，其生成的随机数序列也可能会被预测，从而失效。

因此，希望提供一种技术，能够依赖于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。

发明内容

本申请提供一种产生随机数的装置和方法，依赖于量子力学内禀的不确定性，以生成真正的随机数。

第一方面，本申请提供一种产生随机数的装置，所述装置包括：电子对产生器，用于生成第一电子对，所述第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

电子对分离器，用于对所述第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，所述两个独立的电子的自旋方向相反、迁移方向彼此独立；

随机数产生器，用于接收所述电子对分离器输出的第一输入电子，并根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，所述第一输入电子是所述两个独立的电子中的一个电子。

因此，通过对第一电子对进行分离，并基于被分离的第一输入电子的电子自旋方向的不确定性，生成随机数。从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测器来探测电子，避免了光学量子随 机数产生器中可能出现的暗计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述随机数产生器包括：第一自旋过滤器，相对于所述电子对分离器，在第一迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收所述第一输入电子，并用于在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者所述第一自旋过滤器受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

第一电荷探测器，相对于所述电子对分离器，在所述第一迁移方向上与所述第一自旋过滤器耦合，用于检测是否接收到所述第一输出电子，并基于是否接收到所述第一输出电子，生成第一指示信号；

随机数生成器，用于根据所述第一指示信号生成所述随机数。

因此，通过基于第一自旋过滤器和第一电荷探测器确定是否接收到第一输出电子，可以间接地确定第一输入电子的自旋方向。因此，基于第一电荷探测器是否接收到第一输出电子，也就是基于第一输入电子的自旋方向的不确定性，生成随机数，即，基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。

可选地，所述第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，所述随机数包括第一随机数或第二随机数；

所述第一电荷探测器具体用于在接收到所述第一输出电子时，输出所述第一电平信号，以及用于在未接收到所述第一输出电子时，输出所述第二电平信号；

所述随机数生成器具体用于在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数，以及用于在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数。

进一步地，所述随机数产生器还包括第二电荷探测器，相对于所述电子对分离器，在第二迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收第二输入电子，并在接收到所述第二输入电子的时刻发送时基信号，其中，所述第二输入电子为所述两个独立的电子中的除所述第一输入电子之外的另一个电子；

所述随机数生成器还用于接收所述第二电荷探测器发送的所述时基信 号，并具体用于在同时接收到所述第一电平信号和所述时基信号时，生成所述第一随机数；在同时接收到所述第二电平信号和所述时基信号时，生成所述第二随机数。通过第二电荷探测器检测第二输入电子，并基于探测到第二输入电子生成时基信号，将该时基信号用于指示接收第一输出电子的参考时刻，检测第一电荷探测器是否接收到第一输出电子，可以间接地确定第一输入电子的自旋方向。

由于考虑到电子对分离效率有可能不能达到100％，可能会生成伪随机数的问题，引入了时基信号。即，在接收到第二输入电子的时刻生成随机信号，若同时接收到第一电平信号，则说明该电子对被分离，分别沿着两个不同的迁移方向行进，从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数，提高随机数的随机性。

需要说明的是，该第一迁移方向或第二迁移方向仅用于区分和说明第一输入电子或第二输入电子所行进的方向，或者说，路径。第二迁移方向可以为不同于第一迁移方向的任意方向。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述随机数产生器包括：

第一自旋过滤器，相对于所述电子对分离器，在第一迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收所述第一输入电子，并用于在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者所述第一自旋过滤器受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

第二自旋过滤器，相对于所述电子对分离器，在第三迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收所述第二输入电子，并用于在所述第二输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在所述第二输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第二输出电子，其中，所述第二输出电子包括：所述第二输入电子，或者所述第二自旋过滤器受所述第二输入电子激发而发射出的电子；

第三电荷探测器，与所述第一自旋过滤器与所述第二自旋过滤器分别耦合，用于在接收到所述第一输出电子时输出第三电平信号，以及用于在接收到第二输出电子时输出第四电平信号；

随机数生成器，与所述第三电荷探测器耦合，用于在接收到所述第三电平信号时，生成第一随机数，以及用于在接收到所述第四电平信号时，生成第二随机数。

因此，通过对第一迁移方向的第一输入电子和第三迁移方向的第二输入电子分别进行自旋过滤处理，对预设的自旋方向的电子进行过滤，输出与预设的自旋方向相同的电子，根据输出电子的迁移方向的随机性，生成随机数。从本质上说，仍然是基于电子自旋的不确定性，但是不需要时基信号的指示，将电子自旋的不确定性转化到某一预设自旋方向的电子的路径的不确定性，从而生成随机数。

需要说明的是，该第一迁移方向或第三迁移方向仅用于区分和说明第一输入电子或第二输入电子所行进的方向，或者说，路径。第三迁移方向可以为不同于第一迁移方向的任意方向，也就是说，第三迁移方向可以位于第二迁移方向相同或者不同的方向。这里，仅为用于区分是否设置了第二自旋过滤器，将该迁移方向区分为第二迁移方向和第三迁移方向。这里仅为区分，对其作了不同的命名，并未用于限定在本发明实施例中设置有三个或者更多的迁移方向。

第二方面，本申请提供一种产生随机数的方法，所述方法包括：

生成第一电子对，所述第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

对所述第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，所述两个独立的电子的自旋方向相反、迁移方向彼此独立；

接收所述第一输入电子，并根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，所述第一输入电子是所述两个独立的电子中的一个电子。

因此，通过对第一电子对进行分离，并基于被分离的第一输入电子的电子自旋方向的不确定性，生成随机数。从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测器来探测电子，避免了光学量子随机数产生器中可能出现的暗计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，包括：

在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者，受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

检测是否接收到所述第一输出电子，并基于是否接收到所述第一输出电子生成第一指示信号；

根据所述第一指示信号，生成所述随机数。

可选地，所述第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，所述随机数包括第一随机数或第二随机数；

所述基于是否接收到所述第一输出电子生成第一指示信号，包括：

在接收到所述第一输出电子时，输出所述第一电平信号；

在未接收到所述第一输出电子时，输出所述第二电平信号；

所述根据所述第一指示信号，生成所述随机数，包括：

在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数；

在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数。

进一步地，所述方法还包括：

接收第二输入电子，所述第二输入电子为所述两个独立的电子中的除所述第一输入电子之外的另一个电子；

在接收到所述第二输入电子的时刻发送时基信号；以及，

所述在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数；包括：

在同时接收到所述第一电平信号和所述时基信号时，生成所述第一随机数；

所述在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数，包括：

在同时接收到所述第二电平信号和所述时基信号时，生成所述第二随机数。

由于考虑到电子对分离效率有可能不能达到100％，可能会生成伪随机数的问题，引入了时基信号。即，在接收到第二输入电子的时刻生成随机信号，若同时接收到第一电平信号，则说明该电子对被分离，分别沿着两个不同的迁移方向行进，从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数，提高随机数的随机性。

需要说明的是，该第一迁移方向或第二迁移方向仅用于区分和说明第一 输入电子或第二输入电子所行进的方向，或者说，路径。第二迁移方向可以为不同于第一迁移方向的任意方向。

结合第二方面的上述可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述方法还包括：

接收第二输入电子，所述第二输入电子为所述两个独立的电子中的除所述第一输入电子之外的另一个电子；

在所述第二输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

在所述第二电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第二输出电子，所述第二输出电子包括：所述第二输入电子，或者，受所述第二输入电子激发而发射出的电子；

所述接收第一输入电子，并根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，包括：

接收所述第一输入电子；

在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者所述第一自旋过滤器受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

在接收到第一输出电子时，输出第三电平信号，并在接收到所述第三电平信号时，生成第一随机数；

在接收到第二输出电子时，输出第四电平信号，并在接收到所述第四电平信号时，生成第二随机数。

因此，通过对第一迁移方向的第一输入电子和第三迁移方向的第二输入电子分别进行自旋过滤处理，对预设的自旋方向的电子进行过滤，输出与预设的自旋方向相同的电子，根据输出电子的迁移方向的随机性，生成随机数。从本质上说，仍然是基于电子自旋的不确定性，但是不需要时基信号的指示，将电子自旋的不确定性转化到某一预设自旋方向的电子的路径的不确定性，从而生成随机数。

需要说明的是，该第一迁移方向或第三迁移方向仅用于区分和说明第一输入电子或第二输入电子所行进的方向，或者说，路径。第三迁移方向可以 为不同于第一迁移方向的任意方向，也就是说，第三迁移方向可以位于第二迁移方向相同或者不同的方向。这里，仅为用于区分是否设置了第二自旋过滤器，将该迁移方向区分为第二迁移方向和第三迁移方向。这里仅为区分，对其作了不同的命名，并未用于限定在本发明实施例中设置有三个或者更多的迁移方向。

在某些实现方式中，所述电子对产生器为库珀对电子产生器。

可选地，所述库珀对电子产生器为S波超导体。

在某些实现方式中，所述电子对产生器和所述电子对分离器为包括超导体-半导体-非超导体金属的异质结。

本申请提供了一种产生随机数的装置和方法，能够依赖于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的产生随机数的装置的应用场景的示意图。

图2是根据本发明一实施例的产生随机数的装置的示意图。

图3是根据本发明另一实施例的产生随机数的装置的示意图。

图4a和图4b是根据本发明实施例的电子对产生器和电子对分离器的示意性结构图。

图5是根据本发明实施例的电子对分离器分离第一电子对的示意图。

图6是根据本发明实施例的第一自旋过滤器对第一输入电子进行自旋过滤处理的示意图。

图7a是根据本发明实施例的第一电荷探测器的示意图。

图7b是电子流经第一电荷探测器时电导的变化示意图。

图8是根据本发明又一实施例的产生随机数的装置的示意图。

图9是根据本发明再一实施例的产生随机数的装置的示意图。

图10是根据本发明一实施例的产生随机数的方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，在本发明实施例中，“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅为用于区分不同的对象，例如，区分不同的随机数，不同的电子、不同的迁移方向、不同的电平信号等，不应对本发明构成任何限定。

图1是本发明实施例的产生随机数的装置的应用场景的示意图。该装置可以应用于如图1所示的计算机系统10中，该计算机系统可以包括处理器11和本发明实施例的产生随机数的装置12。其中，处理器11与该装置12连接。该处理器11可以根据需要，从该装置12获取随机数。该装置12在产生随机数后，可以向处理器11发送该随机数，以便于处理器11基于获取到的随机数，进行加解密运算、雷达信号处理或者仿真模拟运算等。

应理解，虽然图1中未示出，该计算机系统10还可以包含其他模块或单元，本发明对此并未特别限定。

以下，结合图2至图9详细说明根据本发明实施例的产生随机数的装置。可以理解，该装置可以对应于图1中所示的产生随机数的装置12。

图2是根据本发明一实施例的产生随机数的装置100的示意图。如图2所示，该装置100包括：电子对产生器110、电子对分离器120和随机数产生器130。该装置100可以通过印刷电路板(Printed Circuit Board，简称“PCB”)的形式制作微纳电路，或者在芯片中直接集成所有的电路。

其中，该电子对产生器110用于生成第一电子对，该第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

该电子对分离器120用于对该第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，该两个独立的电子的迁移方向彼此独立；

该随机数产生器130用于接收该电子对分离器输出的第一输入电子，并根据该第一输入电子的自旋方向，生成随机数，该第一输入电子是该两个独立的电子中的一个电子。

具体地，该电子对产生器110与电子对分离器120连接，电子对分离器120与随机数产生器130连接。通过上述连接关系，使电子对产生器110产 生的电子对(为便于说明和理解，记作第一电子对)经过电子对分离器分离成独立的两个电子(例如，第一输入电子和第二输入电子)。

应理解，第一电子对在进行分离处理之前是纠缠电子对，纠缠电子对可以理解为：在特定情形下，两个自旋和动量相反的电子之间存在通过交换声子而发生的吸引作用，被束缚在一起，形成纠缠电子对。也就是说，纠缠电子对可以理解为在空间上是束缚在一起的两个电子(可对应于图4a或图4b中源极中的电子对)，此两个电子的迁移的方向保持一致，可以被视为单一的准粒子。经过电子对分离器进行分离处理后，束缚的特性被打破，但两个电子仍然保持自旋动量相反的特性。即，该第一电子对被分离成空间上独立的两个电子(可对应于图4a或图4b中漏极中的两个电子)，分离处理后的第一输入电子和第二输入电子可以彼此独立地迁移(或者说，行进)，或者说，第一输入电子和第二输入电子的迁移方向彼此独立，但第一输入电子和第二输入电子的自旋方向仍保持相反。

在一个实施例中，第一输入电子的自旋方向向上，第二输入电子的自旋方向向下。在另一个实施例中，第一输入电子的自旋方向向下，第二输入电子的自旋方向向上。也就是说，分离后的两个电子的自旋方向具有不确定性。本发明实施例利用电子自旋方向的不确定性，将两个电子中的一个(例如，第一输入电子)发射至随机数产生器130中，随机数产生器130基于该第一输入电子的自旋方向，生成随机数。例如，在检测到第一输入电子的自旋方向向上时，输出第一随机数，例如，“1”，在检测到第一输入电子的自旋方向向下时，输出第二随机数，例如，“0”。

应理解，这里示出的第一随机数和第二随机数的具体取值“1”和“0”仅为示例性说明，第一随机数和第二随机数为不同的两个随机数，本发明实施例对于第一随机数、第二随机数与“1”、“0”之间的对应关系并未特别说明。例如，第一随机数也可以为“0”，第二随机数也可以为“1”。为了简洁，后文中省略对相同或相似情况的说明。

其中，该第一输入电子由电子对分离器输出、并发射至随机数产生器的过程中所经过的路径可以记作第一迁移方向。应理解，进入第一迁移方向的电子具有随机性，可以为第一输入电子，也可以为第二输入电子。本发明实施例中仅以第一输入电子作为示例来说明，而不应对本发明构成任何限定。

需要说明的是，这里所说的第一迁移方向以及后文提及的第二迁移方 向，是用于区分经分离处理后获得的第一输入电子和第二输入电子所行进的方向，而给出的示意性的说明。在本发明实施例中，第二迁移方向可以为不同于第一迁移方向的任意方向，第一迁移方向和第二迁移方向可以分别对应于电子对分离器将电子引导行进的两个不同路径，(可对应于图4a或图4b中所示的两个漏极引导电子行进的两个不同方向)。

应理解，该第一迁移方向或第二迁移方向仅用于区分和说明第一输入电子或第二输入电子所行进的方向，或者说，路径，不应对本发明构成任何限定。

应理解，以上列举的根据自旋方向输出具体的随机数的方法仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定，本发明对于电子自旋方向和随机数取值的对应关系并未特别限定。

还应理解，本发明实施例对于检测第一输入电子的自旋方向的具体方法并未特别限定，可以通过直接检测第一输入电子的自旋方向，也可以通过自旋过滤器对第一输入电子进行过滤，来间接地检测第一输入电子的自旋方向，还可以通过其他方式来检测第一输入电子的自旋方向，本发明对此并未特别限定。所有基于电子自旋方向的不确定性生成随机数的方法均落入本发明的保护范围。

因此，本发明实施例的产生随机数的装置，通过对第一电子对进行分离，并基于被分离的第一输入电子的电子自旋方向的不确定性，生成随机数。从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测器来探测电子，避免了光学量子随机数产生器中可能出现的暗计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

可选地，该随机数产生器包括：

第一自旋过滤器，相对于电子对分离器，在第一迁移方向上与该电子对分离器耦合，用于接收该第一输入电子，并在该第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；在该第一输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，该第一输出电子包括：该第一输入电子，或者，该第一自旋过滤器受该第一输入电子激发而发射出的电子；

第一电荷探测器，相对于电子对分离器，在第一迁移方向上与该第一自旋过滤器耦合，用于检测是否接收到该第一输出电子，并基于是否接收到该 第一输出电子生成第一指示信号；

随机数生成器，用于根据该第一指示信号，生成随机数。

具体而言，在图2所示的产生随机数的装置100的基础上，其中的随机数产生器130可以进一步包括第一自旋过滤器、第一电荷探测器和随机数生成器，如图3所示。图3是根据本发明另一实施例的产生随机数的装置100的示意图。图3所示的该装置100中的随机数产生器包括：第一自旋过滤器131、第一电荷探测器132和随机数生成器133。

具体地，电子对产生器110与电子对分离器120耦合，以电子对分离器120为参照，在第一迁移方向上放置有第一自旋过滤器131和第一电荷探测器132，该第一自旋过滤器131在第一迁移方向与电子对分离器120耦合，第一电荷探测器132在第一迁移方向与第一自旋过滤器131耦合，最后通过随机数生成器133与第一电荷探测器132耦合。通过各器件之间如上所述的耦合关系，使电子对产生器110产生的电子对经过电子对分离器120的分离处理后、以独立的电子(例如，第一输入电子)的形式进入第一自旋过滤器131，若在第一自旋过滤器131中未被过滤，则经由第一电荷探测器132输出，然后以电信号的形式输入随机数生成器133。

在本发明实施例中，第一自旋过滤器用于对接收到的第一输入电子进行自旋过滤处理。具体地，当第一输入电子的自旋方向与该第一自旋过滤器预设的自旋方向不同时，禁止输出该第一输入电子(或者说，过滤该第一输入电子)；当第一输入电子的自旋方向与该第一自旋过滤器预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子(或者说，禁止过滤该第一输入电子)。在本发明实施例中，该第一输出电子可以为第一输入电子本身。应注意，这里所描述的第一输出电子为第一输入电子的示例不应对本发明构成任何限定，本发明也不排除通过现有的技术手段或者未来的技术实现的第一自旋过滤器将第一输入电子吸收，并收到该第一输入电子的激发而发射出第一输出电子的可能，在这种情况下，第一输出电子与第一输入电子可以不是同一个电子。

需要说明的是，自旋过滤处理，即基于电子的自旋方向与自旋过滤器的预设的方向，对接收到的电子选择性地输出。就类似于一个过滤装置，对满足预设条件(可以理解，在本发明实施例中，该预设条件即为：电子自旋方向与自旋过滤器的预设的方向相同)的电子输出，而将不满足预设条件的电子禁止输出，因此可以将此过程简称为自旋过滤处理。

还需要说明的是，该第一电子对中的另一个电子(即，第二输入电子)有可能随机地进入第二迁移方向。在本发明实施例中，对进入第二迁移方向的电子不作限定，例如，可以直接将第二迁移方向的电子接地。

第一输出电子从第一自旋过滤器输出后，进入第一电荷探测器。第一电荷探测器可以用于检测是否接收到第一输出电子，并基于是否接收到第一输出电子生成第一指示信号。

在本发明实施例中，若第一自旋过滤器未过滤第一输入电子，第一电荷探测器可以接收到该第一输出电子，但若第一自旋过滤器过滤了第一输入电子，第一电荷探测器则接收不到该第一输出电子。

第一电荷探测器可以基于是否接收到第一输出电子，生成第一指示信号。例如，该第一指示信号可以以输出高电平或低电平的形式来指示第一电荷探测器接收或未接收到第一输出电子。

可选地，第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，该第一电荷探测器具体用于在接收到第一输出电子时，输出第一电平信号；在未接收到第一输出电子时，输出第二电平信号。

示例性地，该第一电平信号可以为高电平信号，该第二电平信号可以为低电平信号。具体地，在第一电荷探测器接收到第一输出电子时，该第一指示信号可以显示为高电平；在第一电荷探测器未接收到第一输出电子时，该第一指示信号可以显示为低电平。应理解，高电平信号和低电平信号仅为第一电平信号和第二电平信号的一种可能的示例，而不应对本发明构成任何限定。例如，第一电平信号也可以为低电平信号，第二电平信号也可以为高电平信号；或者，第一电平信号和第二电平信号也可以为其他形式的电平信号，只要能够区分第一电平信号和第二电平信号，均应落入本发明的保护范围内。

可选地，随机数包括第一随机数或第二随机数，该随机数生成器具体用于在接收到第一电平信号时，生成第一随机数；在接收到第二电平信号时，生成第二随机数。

示例性地，第一电荷探测器输出的电信号进入随机数生成器，从而触发随机数生成器生成随机数，在接收到高电平时，输出第一随机数，例如“1”，在接收到低电平时，输出第二随机数，例如，“0”。

应理解，这里示出的高、低电平与第一、第二随机数的对应关系仅为示 例性说明，不应对本发明构成任何限定。本发明实施例对于第一电平信号、第二电平信号与第一随机数、第二随机数之间的对应关系并未特别限定。为了简洁，后文中省略对相同或相似情况的说明。

下面，结合图4(包括图4a和图4b)至图7(包括图7a和图7b)，详细说明通过本发明实施例的产生随机数的装置100用于生成随机数的具体过程。

首先，电子对产生器产生第一电子对。该第一电子对可以包括一个自旋方向向上的电子和一个自旋方向向下的电子。换句话说，该第一电子对可以理解为自旋配对的两个电子。

可选地，该电子对产生器为库珀对(Cooper-pair)电子产生器。具体地，该库珀对电子生成器可以为S波超导体。相对应地，该第一电子对可以为该S波超导体中的电子对(或者说，库珀对)。

其后，通过电子对分离器对第一电子对进行分离处理。经分离处理后的第一电子对可以分裂成独立的两个电子，这两个电子可以依然保持原来的自旋方向。该两个电子中的一个电子(为便于区分和说明，记作第一输入电子)随机地进入第一迁移方向，该第一迁移方向配置有第一自旋过滤器。而该两个电子中的另一个电子(为便于区分和说明，记作第二输入电子)随机地进入第二迁移方向，在本发明实施例中，第二迁移方向未配置自旋过滤器。

可选地，该电子对产生器和该电子对分离器为由半导体-超导体-半导体构成的异质结。

以下，结合图4和图5详细说明通过异质结对第一电子对进行分离的具体过程。

图4(包括图4a和图4b)是根据本发明实施例的电子对产生器和电子对分离器的示意性结构图。图5是根据本发明实施例的电子对分离器分离第一电子对的示意图。

可选地，在本发明实施例中，该电子对产生器和该电子对分离器为由超导体-半导体-非超导体金属构成的异质结。

以下，结合图4a，分别对产生电子对和分离电子对的过程进行详细说明。

如图4a所示，一个S极和两个D极构成了Y型器件。该Y型器件异质结由超导体、半导体和非超导体金属构成。具体地，S极由超导体构成，D极由非超导体金属构成。超导体与半导体直接相连构成异质结，半导体与金 属直接相连也构成异质结。异质结带来的势垒称为异质结势垒。该电子对产生器和该电子对分离器的功能可以由一个源(Source，简称“S”)极和两个漏(Drain，简称“D”)极(包括D1和D2，)构成的器件来实现。换句话说，电子对产生器和电子对分离器可以理解为用于实现产生电子对和分离电子对的两个功能模块，产生电子对和分离电子对可以通过图4a所示的器件来实现。

1、产生电子对

如图4a所示，往超导体的源(S)极上施加一个小的直流偏置，例如，图4a中所示的电流I_输入，使超导体中产生电流。超导体中电流的实现形式可以是库珀对(即，第一电子对的一例)的形式，此时，库珀对收到电流I_输入的激励开始发生迁移。

应理解，通过一个S极和两个D极构成的器件来实现电子对产生器和电子对分离器的功能的具体实现方式，在2009年出版的《自然(Nature)》第461卷，第960-963页中已经详细记载，这里为了简洁，不再赘述。

2、分离电子对

该库珀对在S极产生后，经过分离处理，得到两个彼此独立的电子(例如，第一输入电子和第二输入电子)，该两个彼此独立的电子可以以分离的状态分别进入两个D极。

在本发明实施例中，可以通过对器件结构的优化来调节异质结势垒，从而调节电子对分离效率。在该Y型器件中，异质结势垒可以通过隧穿耦合这样一个可以测量的量来标定。换句话说，隧穿耦合可以理解为电子穿透半导体-超导体势垒(例如，源生势垒或人工势垒)的能力。

在一种可能的实现方式中，可以在异质结上长绝缘层，并在绝缘层与异质结的接触处加电极形成栅极，再通过调节栅极电压来调节异质结势垒，进而提高电子对分离效率。

该异质结势垒可以被图4a(或者，图4b)中所示的栅极(可对应于图5中黑色箭头所示的栅极)处所施加的栅极电压所调节。同时，通过调节栅极电压，可以控制电子从量子点中一个一个地排出，如图4a中I₁和I₂所示，I₁和I₂可以理解为由于电子的排出而产生的电流。需要说明的是，这里所描述的对器件结构进行优化以调节异质结势垒的具体方法与现有技术相似。例如，在《自然纳米技术(Nature Nanotechnology)》第七卷2012年1月的出 版物中公开了一种特性组分结构的纳米线上加工的特定器件，能够通过该特定器件结构实现调节异质结势垒的功能。

其中，作为示例而非限定，该超导体材料可以为S波超导体。应理解，这里所列举的超导体材料仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。本发明不排除现有技术中或者未来技术中通过从其他超导体来实现电子对产生的功能。

作为示例而非限定，该半导体材料可以为石墨烯或者碳纳米管等一维、二维或三维的半导体材料。更具体地，该半导体材料可以为二维石墨烯、一维碳纳米管和各种纳米线。应理解，以上所列举的半导体材料仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。本发明不排除现有技术中或者未来技术中通过其他半导体材料与超导体材料连接构成实现电子对分离的功能。

作为示例而非限定，该非超导体金属可以为金电极或者铂电极。应理解，这里所列举的非超导体金属仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。例如，该非超导体金属可以为用于半导体工艺中的其他金属。

还应理解，“Y型”是用于描述该器件(即，异质结)的“单路进、两路出”的结构而给出的示例性的描述，不应对本发明构成任何限定。只要该器件能够实现电子对单路输入、电子分别从两路输出(即，电子对分离)的功能，均落入本发明的保护范围内。本发明不排除现有技术中或者未来技术中通过其他半导体材料与超导体材料连接构成的其他结构形式的电子对分离器用于实现电子对分离的功能。

为了便于理解，以下结合图4b所示的Y型器件和图5所示的能级示意图，详细说明电子对分离的原理。

可选地，如图4b所示，漏极和源极可以分别通过一个量子点相连。当量子点中的能级低于超导能隙△时，只有库珀对才能隧穿。如果想让量子点(Quantum Dot，简称“QD”)成为阻止库珀对直接隧穿的过滤器，量子点需要调到合适的区域。

图5展示了图4b所示的器件的能级示意图。如图5所示，超导体的源极与两边的量子点(例如，QD1和QD2)间的隧穿耦合分别为Γ_S1和Γ_S2。两个量子点到漏极的隧穿耦合分别为Γ_D1和Γ_D2。图5中所示出的Γ_S1、Γ_S2、Γ_D1和Γ_D2可以对应于图4b中所示出的异质结势垒。

当量子点的充电能U很大时，由于量子点中的库伦相互作用造成的库伦 阻塞效应，使得只能有一个电子进入量子点。所以，当库珀对中的一个电子进入QD1时，另一个电子只能进入QD2，或者，等待进入QD1的电子跳出QD1后，另一个电子再进入QD1。而后一种情况所描述的这种库珀对电子连续通过同一个量子点的隧穿情况，是被超导能隙的倒数(1/△)所抑制的。其中，量子点的充电能U可以被图4b中所示的栅极(可对应于图5中灰色箭头所指示的栅极)处所施加的栅极电压所调节。通过调节栅极电压，形成库伦阻塞作用，确保每次只有一个电子能够从源极进入量子点。

需要说明的是，量子点的充电能U可以理解为量子点本身的特性，通过调节栅极电压可以利用这个特性，控制电子流经量子点。

还需要说明的是，图4a中所示的异质结结构中未加入量子点，只需要对异质结势垒进行调节，即，在异质结的上方(或者，侧面)放置栅极，以调节异质结势垒。图4b中所示的异质结结构中加入了量子点，需要同时对异质结势垒和量子点充电能进行调节，即，分别在异质结的上方(或者，侧面)和量子点的侧面放置栅极，以对异质结势垒和量子点充电能分别进行调节。

还需要说明的是，通过实验证明，在异质结的上方放置栅极，对异质结势垒的调节效果较好。因此，优选地，用于调节异质结势垒的栅极放置在异质结的上方。而用于调节量子点充电能的栅极放在侧面就以足够达到对量子点充电能进行调节的效果。应理解，以上所列举的栅极的放置位置仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。只要能够通过栅极电压来分别实现对异质结势垒和量子点充电能的调节，均落入本发明的保护范围内。

应理解，用于调节异质结势垒的栅极(可对应于图5中黑色箭头所指示栅极)处的栅极电压和用于调节量子点充电能U的栅极(可对应于图5中灰色箭头所指示的栅极)处的栅极电压可以通过不同的电路来控制，从而对异质结势垒和量子点的充电能分别进行调节。

还应理解，通过一个S极和两个D极构成的Y型器件来实现电子对产生器和电子对分离器的功能的具体实现方式和原理，在2009年出版的《自然(Nature)》第461卷，第960-963页中已经详细记载，这里为了简洁，不再赘述。

需要说明的是，在实际执行过程中，电子对分离器对电子对的分离效率可能并不能达到100％，也就是说，第一电子对可能被分离，也可能未被分 离。或者说，当电子对产生器在一段时间内连续产生多个电子对时，可能只有部分电子对被分离，还有一部分电子对未被分离。未被分离的电子对可以通过第一迁移方向进入第一自旋过滤器，也可以进入不同于第一迁移方向的第二迁移方向。

应理解，这里所说明的电子对分离器对电子对的分离效率不应对本发明构成任何限定。本发明不排除通过现有的技术手段或者在未来的技术中，通过电子对分离技术使电子对的分离效率达到100％的可能性。

即便第一电子对未被分离，并且进入第一迁移方向，最终进入第一自旋过滤器。但对于接收第一电子的第一电荷探测器而言，第一电子对被分离或未被分离是不确定的，这种不确定性性同样也会造成最终输出的电信号的随机性，从而也会产生随机数。因此，电子对分离效率不应对本发明构成任何限定。其后，第一自旋过滤器对第一输入电子进行自旋过滤处理。

具体而言，该第一自旋过滤器可以采用纵向或面内两种形式。图6是根据本发明实施例的第一自旋过滤器对第一输入电子进行自旋过滤处理的示意图。

由图6可以看到，自旋过滤器中的电子势垒是分立的。第一电子对在进入第一自旋过滤器之前，被分离为独立的两个电子。进入第一自旋过滤器的单个电子(例如，第一输入电子)的能级与电子的自旋方向无关，都是相同的。

在本发明实施例中，由于第一电子对经分离处理后，进入第一迁移方向的第一输入电子的自旋方向是随机的，自旋方向有可能向上，也有可能向下。第一输入电子进入第一自旋过滤器之后，第一自旋过滤器对于自旋方向向上的电子势垒较低，自旋方向向下的电子势垒较高。当进入第一自旋过滤器的电子的能级正好处于分立能级之间时，只有自旋方向向上的电子能够通过。即，若第一输入电子的自旋方向向上，该第一输入电子能够通过该第一自旋过滤器；若第一输入电子的自旋方向向下，该第一输入电子被禁止通过该第一自旋过滤器。

在一种实现方式中，该第一自旋过滤器为自旋阀。应理解，自旋阀作为第一自旋过滤器的一例，不应对本发明构成任何限定，本发明也不排除通过其他方法或器件来实现电子自旋过滤的功能。

应理解，图6所示出的纵向形式的自旋过滤器仅为自旋过滤器的一例， 不应对发明构成任何限定，例如，自旋过滤器还包括面内形式的自旋过滤器。

应理解，图6所示出的自旋过滤器用于根据电子自旋方向进行过滤处理的具体原理已经在1999年出版的《应用物理学报(Journal of Applied Physics)》第85卷，文章号为4785的文章中详细说明，这里为了简洁，不再赘述。

其后，第一电荷探测器检测第一输出电子。

具体而言，第一电荷探测器可以为包含可精确探测单电荷的器件。可选地，该第一电荷探测器包括源极、漏极、被探测器件等结构。通过检测电荷岛电导的变化，可以确定被探测器件是否有电子流经。

作为第一电荷探测器的一例，该第一电荷探测器还可以包括单电子晶体管(Single Electron Transistor，简称“SET”)，通过SET的电导变化来反映被探测器件的电导变化，SET的电导变化较被探测器件的电导变化更加明显，因此，也就可以检测到被探测器件中是否有电子流经。

图7a是根据本发明实施例的第一电荷探测器的示意图。如图7a所示，图7a的上半部分示出了被探测器件(例如，QD)，图7a的下半部分示出了第一电荷探测器，具体地，该第一电荷探测器为SET。从图7a的上半部分可以看出，第一输出电子经源极—QD—漏极流过，在QD的附近放置有SET，SET可以位于QD的周围的任意一个方向，只要SET与QD的距离能够实现两者间的电容性耦合即可。具体地，第一输出电子通过QD时，会改变QD中的电导，从而通过电容性耦合影响SET中的电导，电子改变QD中的电导进而改变SET中的电导，反映在SET的电导变化曲线上，能够测出一个放大的效果。因此，通过探测SET中的电导变化可以检测到被探测器件中是否有电子流经。应注意，SET作为电荷探测器的一例，其自身具有源极和漏极，本发明对于SET的源极、SET的漏极的位置并未特别限定。

图7b示出了电子流经第一电荷探测器时电导的变化示意图。其中，图7b中的a曲线用于指示源极-QD-漏极的电导(G)的变化曲线，图7b中的b曲线用于指示源极—SET—漏极的电导的变化曲线，图7b中的c曲线用于指示b曲线对a曲线取微分后的变化曲线。可以看到在a曲线中每个输出电子流经QD时电导都会有一个波峰，即，每一个波峰代表有一个电子流经QD。b曲线可以很容易看到在每一个输出电子流经QD时对SET造成的电导的较大的变化。从而根据源极—SET—漏极的电导的变化曲线确定是否有电子流 经第一电荷探测器。c曲线进一步呈现了每一个输出电子流经QD时对SET的电导曲线造成的变化，c曲线上的每一个跳变点都表示有一个输出电子流经QD。

应理解，图7a和图7b示出的第一电荷探测器以及电子流经第一电荷探测器的电导变化的示意，在2010年出版的《应用物理学杂志(Applied Physics Letters)》第97卷第26期文章号为262113的文章中已经详细说明，这里为了简洁，不再赘述。

还应理解，以上所述的第一电荷探测器通过SET来检测是否有电子流经QD的方法仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定，例如，该QD还可以为量子点接触。其中，QD、量子点接触可以理解为“电荷岛”，通过充、放电时电导、电容或电流的变化来指示是否有电子流经。

最后，随机数生成器根据第一指示信号，生成随机数。

应理解，以上所列举的通过第一电子自旋过滤器对第一输入电子进行自旋过滤处理，并通过第一电荷探测器输出第一指示信号，基于第一指示信号生成随机数的方法是一种通过间接检测电子自旋方向，并基于电子自旋方向的随机性生成随机数的方法。本发明所列举的确定第一输入电子的自旋方向的方法仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。本发明并不排除通过其他方法或者器件对电子自旋方向进行直接或间接地探测或确定，以基于电子自旋方向的随机性生成随机数。

例如，电子自旋方向还可以通过电子自旋共振(electron spin resonance，简称“ESR”)来检测。具体地，在磁场下，自旋方向向上和自旋方向向下的电子之间有能级差，自旋方向向上的电子能级较低，自旋方向向下的电子能级较高。源极的电子进入量子点中，根据自旋方向不同居于不同的能级。当量子点中的电势被提高时，源极电势处于电子能级差之间，此时如果量子点中的电子处于自旋方向向上，则可以迁移至源极，从而产生电流信号；如果量子点中的电子处于自旋方向向下，则不会发生电子的迁移，无电流信号产生。因此，可以通过检测电流信号来确定电子自旋方向，进而根据电子自旋方向生成随机数。

应理解，以上所列举的用于检测电子自旋方向的方法仅为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。用于检测电子自旋方向的具体方法并不仅限于上述示例，例如，电子自旋方向还可以通过磁共振力显微镜(Magnetic  Resonance Force Microscope，简称“MRFM”)来检测。为了简洁，用于检测电子自旋方向的具体实现方式在这里不再一一列举。

因此，本发明实施例的产生随机数的装置，通过对第一电子对进行分离，并对分离出来的第一输入电子进行自旋过滤处理，根据自旋过滤的结果生成随机数。从而基于第一输入电子的自旋方向的不确定性，或者说，基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测器来探测电子，避免了光学量子随机数产生器中可能出现的暗计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

需要说明的是，在电子对分离器对第一电子对进行分离处理后，第二电子进入第二迁移方向，或者当第一电子对未被分离时，进入第二迁移方向时，也可以通过上文所述的方法对第二输入电子或未被分离的第一电子对进行自旋过滤处理、电子探测以及输出随机数。具体的实现方式与对第一输入电子的处理方式相同，为了简洁，这里不再赘述。

进一步地，由于在实际执行过程中，电子对分离器对电子对的分离效率可能并不能达到100％，在本发明实施例中，为了保证随机数的随机性，第一电荷探测器可以基于预设的参考时刻生成随机数。

具体地，可以对电子对产生器产生电子对的时刻、频率和速率进行控制，使得电子对产生器在某一预设的时间段内，按照预设的频率，匀速地生成并发射电子对，使得第一输入电子在不经过第一自旋过滤器的情况下到达第一电荷探测器的时刻也呈现出相同的频率和速率。例如，可以通过对输入电流的控制，控制电子对产生器产生电子对的时刻和频率(或者，时刻和速率)。

因此，第一电荷探测器在预设的时刻、频率和速率下接收第一输出电子。即，第一电荷探测器根据预设的时刻、频率和速率，可以确定在不经过第一自旋过滤器的情况下接收到第一电子的参考时刻。并基于该参考时刻，在接收到第一电平信号，生成第一随机数；在接收到第二电平信号时，输出第二随机数。

或者，电子对产生器也可以在生成第一电子对的同时向第一电荷探测器发送时基信号，以指示第一电荷探测器在该时基信号所指示的参考时刻接收第一输出电子。第一电荷探测器基于该参考时刻，在接收到第一输出电子时，输出第一电平信号，在未接收到第一输出电子时，输出第二电平信号。

该随机数生成器可以基于时基信号，在参考时刻若接收到第一电平信号，则生成第一随机数，例如“1”；在参考时刻若接收到第二电平信号，则生成第二随机数，例如“0”。

可选地，该随机数产生器还包括第二电荷探测器，相对于电子对分离器，在第二迁移方向上与该电子对分离器耦合，用于接收第二输入电子，并将接收到该第二输入电子的时刻作为参考时刻，生成并发送时基信号，其中，第二输入电子为两个独立的电子中的除第一输入电子之外的另一个电子；该随机数生成器还用于接收该第二电荷探测器发送的时基信号。

该装置的示意图可以如图8所示。图8是根据本发明又一实施例的产生随机数的装置100的示意图。如图8所示，该装置100除上述的电子对产生器110、电子对分离器120、第一自旋过滤器131、第一电荷探测器132和随机数生成器133，还包括第二电荷探测器134。其中，电子对产生器110、电子对分离器120、第一自旋过滤器131、第一电荷探测器132和随机数生成器133间的耦合关系如上所述，这里不再赘述。相对于该电子对分离器，该第二电荷探测器134在第二迁移方向上与该电子对分离器120耦合，随机数生成器133在与第一电荷探测器132耦合的同时，与第二电荷探测器134耦合。通过第二电荷探测器134接收电子对分离器120分离出来的沿第二迁移方向行进的第二输入电子，并在接收到第二输入电子的时刻，发送时基信号给随机数生成器133。

具体而言，由于第二输入电子未经过自旋过滤处理，因此，第二电荷探测器通过第二迁移方向能够接收到第二输入电子，否则，则可以认为该第一电子对未被分离，并且未被分离的第一电子对未沿第二迁移方向行进。本发明实施例可以利用通过第二迁移方向行进的第二输入电子，将第二电荷探测器接收到第二输入电子的第二时刻作为参考时刻，来对第一电荷探测器是否接收到第一输出电子进行判断。即，第二电荷探测器可以通过时基信号来指示该参考时刻。

由于第一电子对分裂为第一输入电子和第二输入电子后，分别通过第一迁移方向和第二迁移方向行进至第一电荷探测器和第二电荷探测器的时间几乎可以忽略，即，可以认为该第一输出电子到达第一电荷探测器的第一时刻和第二输入电子到达第二电荷探测器的第二时刻可以认为是相同的。应注意，这里所说的第一时刻和第二时刻相同，可以理解为在一定的误差范围内 相同，例如，第一时刻在第二时刻的正负公差范围内。

可选地，该随机数生成器具体用于在同时接收到第一电平信号和时基信号时，生成第一随机数；在同时接收到第二电平信号和时基信号时，生成第二随机数。

例如，在接收到时基信号的同时若接收到第一电平信号(例如，高电平信号)，则输出第一随机数(例如，“1”)；在接收到时基信号的同时若接收到第二电平信号(例如，低电平信号)，则输出第二随机数(例如，“0”)。

在本发明实施例中，第二电荷探测器可以为与第一电荷探测器相同的器件，或者，也可以为用于实现与第一电荷探测器相同功能的器件。第二电荷探测器接收到第二输入电子生成时基信号的具体方法与第一电荷探测器接收第一输出电子生成第一指示信号的具体方法相似。上文中已经详细说明了第一电荷探测器基于是否接收到第一输出电子生成第一指示信号的具体过程，这里为了简洁，不再对第二电荷探测器在接收到第二输入电子发送时基信号的具体过程作详细说明。

需要说明的是，当电子对分离器未将第一电子对分裂，且该第一电子对通过第一迁移方向进入第一自旋过滤器后，该第一电子对中与第一自旋过滤器的预设自旋方向相反的电子被过滤，另一个与第一自旋过滤器的预设自旋方向相同的电子通过。而此时，第二电荷探测器是无法探测到电子通过的，因此也就在该时刻无法输出时基信号。在本发明实施例中，可以不考虑未被分裂的电子对，随机数生成器在未接收到第二电荷探测器发送过来的时基信号时，直接忽略第一电荷探测器发送过来的第一指示信号。

由于电子对经过自旋过滤处理后，会有一个电子被过滤，一个电子通过。若直接根据第一指示信号输出随机数，则是连续的“1”和“0”，或者连续的“0”和“1”。考虑到极端情况下，若电子对分离器的分离率为0，则该随机数生成器输出的随机数是连续的多个“1”和“0”，或者是连续的多个“0”和“1”，由此会造成该随机数的伪随机性。因此，本发明通过时基信号指示参考时刻，在参考时刻输出随机数，可以进一步提高随机数生成器生成随机数的随机性。

可选地，该随机数产生器包括：

第一自旋过滤器，相对于该电子对分离器，在第一迁移方向上与该电子对分离器耦合，用于接收该第一输入电子，并用于在该第一输入电子的自旋 方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在该第一输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，该第一输出电子包括：该第一输入电子，或者该第一自旋过滤器受该第一输入电子激发而发射出的电子；

第二自旋过滤器，相对于该电子对分离器，在第三迁移方向上与该电子对分离器耦合，用于接收该第二输入电子，并用于在该第二输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在该第二输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第二输出电子，其中，该第二输出电子包括：该第二输入电子，或者该第二自旋过滤器受该第二输入电子激发而发射出的电子；

第三电荷探测器，与该第一自旋过滤器与该第二自旋过滤器分别耦合，用于在接收到该第一输出电子时输出第三电平信号，以及用于在接收到第二输出电子时输出第四电平信号；

随机数生成器，与该第三电荷探测器耦合，用于在接收到该第三电平信号时，生成第一随机数，以及用于在接收到该第四电平信号时，生成第二随机数。

该装置的示意图可以如图9所示。图9是根据本发明再一实施例的产生随机数的装置100的示意图。如图9所示，该装置100包括：电子对产生器110、电子对分离器120、第一自旋过滤器131、第二自旋过滤器135、第三电荷探测器136和随机数生成器133。其中，电子对产生器110与电子对分离器120耦合，相对于该电子对分离器120，该电子对分离器120分别在第一迁移方向上与第一自旋过滤器131耦合，在第三迁移方向上与第二自旋过滤器135耦合，第三电荷探测器在第一迁移方向上与第一自旋过滤器131与第一电荷探测器132耦合，在第三迁移方向上与第二自旋过滤器135耦合，随机数生成器133与第三电荷探测器136耦合。具体而言，由于电子对分离器对第一电子对进行分离处理后，分别通过第一迁移方向和第三迁移方向(为与上文中的第二迁移方向区分，记作第三迁移方向)行进的第一输入电子和第二输入电子的自旋方向仍然是不确定的，或者说，是随机的。因此，可以对分别对第一输入电子和第二输入电子进行自旋过滤处理，即，第一自旋过滤器在第一迁移方向接收第一输入电子，第二自旋过滤器在第二迁移方向接收第二输入电子。并且，第一自旋过滤器和第二自旋过滤器的预设自旋 过滤方向相同。则第一输入电子和第二输入电子中有一个会被过滤，一个能够通过。也就是说，第三电荷探测器在某一时刻只可能有一个迁移方向上接收到电子。第三电荷探测器可以基于接收到电子的迁移方向不同，生成不同的指示信号，例如，在第一迁移方向上接收到电子时输出第三电平信号(例如，高电平信号)，在第二迁移方向上接收到电子时输出第四电平信号(例如，低电平信号)。

这里，需要注意的是，该第三电荷探测器不同于前文中所描述的第一电荷探测器或第二电荷探测器。这里所说的第三电荷探测器具有两通道电荷探测的功能，并根据探测到电荷的通道的不同输出不同的电平信号。

因此，随机数生成器在接收到第三电平信号时，可以生成第一随机数；在接收到第四电平信号时，可以生成第二随机数。从而可以根据预设的自旋方向的电子所迁移的方向的不确定性，生成随机数。

应理解，第二迁移方向和第三迁移方向仅用于区分是否在迁移方向内设置有第二自旋过滤器，第三迁移方向可以是不同于第一迁移方向的任意方向，例如，第三迁移方向可以是与第二迁移方向相同或不同的方向。这里仅为区分，对其作了不同的命名，并未用于限定在本发明实施例中设置有三个或者更多的迁移方向。

还应理解，在本发明实施例中，第二自旋过滤器可以为与第一自旋过滤器相同的器件，或者，也可以为用于实现与第一自旋过滤器相同功能的器件。第三电荷探测器可以为与第一电荷探测器相同的器件，或者，也可以为用于实现与第一电荷探测器相同功能的器件。

还应理解，本发明对于电平信号(包括上文所述的第一电平信号至第四电平信号)的具体形式没有特别限定。第一电平信号与第三电平信号可以为相同的电平信号或者不同的电平信号；第二电平信号与第四电平信号可以为相同的电平信号或者不同的电平信号。只要第一电平信号与第二电平信号不同，第三电平信号与第四电平信号不同，均应落入本发明的保护范围内。

因此，本发明实施例的产生随机数的装置，通过对第一电子对进行分离，并分别对分离的第一输入电子和第二输入电子进行自旋过滤处理，根据过滤的结果生成随机数。从而基于第一输入电子和第二输入电子的自旋方向的不确定性，或者说，基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测器来探测电子，避免了光学量子随机数产生器中可能出现的暗 计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

以上，结合图2至图9详细说明了根据本发明实施例的产生随机数的装置。以下，结合图10详细说明根据本发明实施例的产生随机数的方法。

图10是根据本发明一实施例的产生随机数的方法900的示意性流程图。该方法900应用于产生随机数的装置，该装置包括电子对产生器、电子对分离器和随机数产生器。如图10所示，该方法900包括：

S910，生成第一电子对，该第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

S920，对该第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，该两个独立的电子的迁移方向彼此独立；

S930，接收该第一输入电子，并根据该第一输入电子的自旋方向，生成随机数，该第一输入电子是该两个独立的电子中的除第一输入电子之外的一个电子。

可选地，所述根据该第一输入电子的自旋方向，生成随机数，包括：

在该第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

在该第一输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，该第一输出电子包括：该第一输入电子，或者，受第一输入电子激发而发射出的电子；

检测是否接收到该第一输出电子，并基于是否接收到该第一输出电子生成第一指示信号；

根据该第一指示信号，生成该随机数。

可选地，第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，随机数包括第一随机数或第二随机数；

所述基于是否接收到该第一输出电子生成第一指示信号，包括：

在接收到所述第一输出电子时，输出所述第一电平信号；

在未接收到所述第一输出电子时，输出所述第二电平信号；

所述根据该第一指示信号，生成该随机数，包括：

在接收到第一电平信号时，生成第一随机数；

在接收到第二电平信号的情况下，生成第二随机数。

可选地，该方法900还包括：

接收第二输入电子，该第二输入电子为该两个独立的电子中的除第一输入电子之外的另一个电子；

在接收到该第二输入电子的时刻发送时基信号；以及，

所述在接收到第一电平信号时，生成第一随机数，包括：

在同时接收到第一电平信号和时基信号时，生成第一随机数；

所述在接收到第二电平信号时，生成第二随机数，包括：

在同时接收到第二电平信号和时基信号时，生成第二随机数。

可选地，该方法900还包括：

接收第二输入电子，该第二输入电子为该两个独立的电子中的除该第一输入电子之外的另一个电子；

在该第二输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

在该第二电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第二输出电子，该第二输出电子包括：该第二输入电子，或者，受该第二输入电子激发而发射出的电子；

所述接收第一输入电子，并根据该第一输入电子的自旋方向，生成随机数，包括：

接收该第一输入电子；

在该第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

在该第一输入电子的自旋方向与该预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，该第一输出电子包括：该第一输入电子，或者该第一自旋过滤器受该第一输入电子激发而发射出的电子；

在接收到第一输出电子时，输出第三电平信号，并在接收到该第三电平信号时，生成第一随机数；

在接收到第二输出电子时，输出第四电平信号，并在接收到该第四电平信号时，生成第二随机数。

因此，本发明实施例的产生随机数的方法，通过对第一电子对进行分离，并基于被分离的第一输入电子的电子自旋方向的不确定性，生成随机数。从而基于量子力学内禀的不确定性，生成真随机数。进一步地，通过电子探测 器来探测电子，避免了光学量子随机数产生器中可能出现的暗计数问题，且电子探测器的探测效率至少在100MHz以上，从而使得该装置生成随机数的效率也远远高于光学量子随机数产生器。

应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部 分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1. 一种产生随机数的装置，其特征在于，包括：

   电子对产生器，用于生成第一电子对，所述第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

   电子对分离器，用于对所述第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，所述两个独立的电子的自旋方向相反、迁移方向彼此独立；

   随机数产生器，用于接收所述电子对分离器输出的第一输入电子，并根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，所述第一输入电子是所述两个独立的电子中的一个电子。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述随机数产生器包括：

   第一自旋过滤器，相对于所述电子对分离器，在第一迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收所述第一输入电子，并用于在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子，以及用于在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，其中，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者所述第一自旋过滤器受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

   第一电荷探测器，相对于所述电子对分离器，在所述第一迁移方向上与所述第一自旋过滤器耦合，用于检测是否接收到所述第一输出电子，并基于是否接收到所述第一输出电子，生成第一指示信号；

   随机数生成器，用于根据所述第一指示信号生成所述随机数。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，所述随机数包括第一随机数或第二随机数；

   所述第一电荷探测器具体用于在接收到所述第一输出电子时，输出所述第一电平信号，以及用于在未接收到所述第一输出电子时，输出所述第二电平信号；

   所述随机数生成器具体用于在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数，以及用于在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述随机数产生器还包括第二电荷探测器，相对于所述电子对分离器，在第二迁移方向上与所述电子对分离器耦合，用于接收第二输入电子，并在接收到所述第二输入电子的时刻发送时基信号，其中，所述第二输入电子为所述两个独立的电子中的除 所述第一输入电子之外的另一个电子；

   所述随机数生成器还用于接收所述第二电荷探测器发送的所述时基信号，并具体用于在同时接收到所述第一电平信号和所述时基信号时，生成所述第一随机数，以及用于在同时接收到所述第二电平信号和所述时基信号时，生成所述第二随机数。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述电子对产生器为库珀对电子产生器。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述电子对产生器和所述电子对分离器为包括超导体、半导体及非超导体金属的异质结。
7. 一种产生随机数的方法，其特征在于，所述方法包括：

   生成第一电子对，所述第一电子对包括自旋方向相反、迁移方向相同的两个电子；

   对所述第一电子对进行分离处理，得到两个独立的电子，所述两个独立的电子的自旋方向相反、迁移方向彼此独立；

   接收第一输入电子，并根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，所述第一输入电子是所述两个独立的电子中的一个电子。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一输入电子的自旋方向，生成随机数，包括：

   在所述第一输入电子的自旋方向与预设的自旋方向不同时，禁止输出电子；

   在所述第一输入电子的自旋方向与所述预设的自旋方向相同时，输出第一输出电子，所述第一输出电子包括：所述第一输入电子，或者，受所述第一输入电子激发而发射出的电子；

   检测是否接收到所述第一输出电子，并基于是否接收到所述第一输出电子生成第一指示信号；

   根据所述第一指示信号，生成所述随机数。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一指示信号包括第一电平信号或第二电平信号，所述随机数包括第一随机数或第二随机数；

   所述基于是否接收到所述第一输出电子生成第一指示信号，包括：

   在接收到所述第一输出电子时，输出所述第一电平信号；

   在未接收到所述第一输出电子时，输出所述第二电平信号；

   所述根据所述第一指示信号，生成所述随机数，包括：

   在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数；

   在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

    接收第二输入电子，所述第二输入电子为所述两个独立的电子中的除所述第一输入电子之外的另一个电子；

    在接收到所述第二输入电子的时刻发送时基信号；以及，

    所述在接收到所述第一电平信号时，生成所述第一随机数；包括：

    在同时接收到所述第一电平信号和所述时基信号时，生成所述第一随机数；

    所述在接收到所述第二电平信号时，生成所述第二随机数，包括：

    在同时接收到所述第二电平信号和所述时基信号时，生成所述第二随机数。