CN108491185B - 基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路；其中：所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器。上述方案可以大幅度缩小量子随机数系统的体积、提高系统稳定性和输出速率，同时可以降低成本。

Description

基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器

技术领域

本发明涉及量子随机数产生技术领域，尤其涉及一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器。

背景技术

随机数是一种广泛使用的基础资源，在量子通信、密码学、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多领域都有着广泛而重要的应用。量子随机数发生器的随机性保障源于量子物理原理，相比于传统的伪随机数发生器和噪声源随机数发生器，其随机性来源更加清晰，并可采用最小熵理论严格证明其随机性，因而具有更高的安全性，特别适合对于随机性要求较高的应用场景。

量子随机数发生器，通过对其进行建模，可以估算出原始数据的最小熵，并据此进行随机性提取并得到最终的量子随机数。量子随机数发生器可以有多种方案来实现，例如光子路径选择方案、光子到达时间方案、激光相位波动方案和测量器件无关的量子随机数方案等。然而从实用化的角度来说，量子随机数发生器需要具有体积小、随机数产生速率高、稳定性强的特点。上述方案中，单光子路径选择的方案，其比特率为1Mbps量级；光子到达时间方案，其比特率为100Mbps量级；激光相位波动的方案，比特率可达50Gbps以上，但是由于此方案中干涉仪的稳定性尤为重要，导致此方案在实用化中体积较大，对振动和温度很敏感，容易在使用中出现问题。在实际应用中，尤其是在下一代高速量子通信系统中，需要随机数速率达到10Gbps以上，并且需要更小的体积和更高的稳定性。

为了解决上述问题，基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器被提了出来，其输出的随机数的速率可达10Gbps以上，可以满足实用化中对高速随机数的需求。硅基光子技术，就是研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术，其核心内容就是研究如何将光子器件小型化、硅片化并与纳米电子器件相集成，但是，目前还没有较为有效的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，可以大幅度缩小量子随机数系统的体积、提高系统稳定性和输出速率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路；其中：

所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，使用硅基波导技术将光学器件和电子学器件同时集成在一块芯片上，可以大幅度缩小量子随机数系统的体积、提高系统稳定性和输出速率，同时可以降低成本；此外，本方案能够在保证量子随机数的安全性的同时极大地提升应用范围和应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的噪声分布示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，如图1所示，其主要包括：依次连接的光源1、随机数芯片2与电子学读出电路3；其中：

所述随机数芯片2包括：光分束器21、第一与第二光衰减器(图2中的22、23)、第一与第二光电探测器(图2中的24、25)以及跨阻放大器26；所述光分束器21的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器22输出端连接第一光电探测器24，第二光衰减器23输出端连接第二光电探测器25；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器26。

还参见图1，所述光源1包括：连续激光11与真空态光12；所述连续激光11输入光分束器21的一输入端，光分束器21的另一输入端空置，作为真空态光12输入端。

还参见图1，所述电子学读出电路3包括：依次连接的模数转换器31与现场可编程门阵列32。

本发明实施例中，使用硅基光子集成技术，将所述光分束器21以及第一与第二光衰减器集成光子集成芯片上，所述第一与第二光电探测器以及跨阻放大器26与所述光子集成芯片集成在一起，构成随机数芯片2。具体的：第一光电探测器24和第二光电探测器25采用定制低噪声高响应度的光电探测器裸片，与高带宽的跨阻放大器26裸片封装在一起，与上述光分束器21、第一光衰减器22、第二光衰减器23一起构成高带宽、小体积、低成本的随机数芯片2，实现片上集成的零差探测器。

本发明实施例中，所述光分束器由硅基波导2×2多模干涉光分束器(MMI-Multi-Mode Interference，MMI)构成，需通过对硅基波导材料进行模拟和生长工艺摸索，才可以实现稳定的功能。

本发明实施例中，所述第一与第二光衰减器结构相同，均由两个1×2MMI构成干涉仪，干涉仪的其中一臂设有一个热光相位调制臂，最终形成可调的光衰减器功能。

本发明实施例提供的基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，利用硅基光子集成技术，将整个光学系统和电子学系统高度集成，在降低成本的同时极大地减小了体积，提升了随机数系统的性能。随机数系统中没有其他量子随机数发生器中常用的干涉仪，稳定性大大提升。

为了便于理解，下面针对图1所示的基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器的工作流程及工作原理进行介绍。

1、工作流程。

连续激光，输入到随机数芯片中的光分束器的一端，光分束器输入的另一端空置，作为真空态光输入端。光分束器的两个输出端口各有一个光衰减器，光分束器和光衰减器将输入光分成强度比为50/50的两束光，这两束光分别进入两个光电探测器进行光电转换过程；光信号转换成两路的电流信号相减(零差探测)后，进入跨阻放大器(TIA)，将微弱的高频电流信号放大并且转化为电压信号；此电压信号即为量子涨落产生的随机信号，信号进入模数转换器(ADC)并且经过现场可编程门阵列(FPGA)后处理后得到实时产生的量子随机数。

2、工作原理。

量子涨落存在于相干态光场中，它在振幅和位相上满足最小不确定性原理。此随机数方案本质上就是相干态量子涨落。本发明实施例中利用光电探测器对经过光分束器分束后的两路光进行零差探测，随机性得以体现。

光分束器的输入一路为本振光源(即连续激光)，另一路空置(即真空态光)。若假设两路输入量子态为经过光分束器和两路衰减器后，两路光变为/>则有下列关系：

其中，分别对应本振光源和真空态。对于50:50的分光比的光分束器/>在分束器输出端则有：

上式中，即为真空态；

光电转换后，第一与第二光电探测器上通过的电流为：

上式中，k为光电探测器的量子效率，分别对应两路输入光电探测器的光强；/>增加了上标“+”代表/>量子态的厄米共轭。电流值应等于量子效率与光强大小的乘积，两路电流的差为：

可以证明：

<Δi>＝0,

其中<Δi²>对应量子噪声σ_q ²，量子噪声从零差探测的结果中得以体现。在本发明实施例中，电子学读出电路得到的噪声分布分为两部分，量子噪声σ_q ²和经典噪声σ_e ²，即

σ_total ²＝σ_q ²+σ_e ²

连续激光是相干光源，其平均光子数记为μ。对于使用相干光源，其光子数n服从泊松分布，其分布由下式给出：

其中，平均光子数μ需要通过理论分析与实验结果来优化的，通常通过调节光源发光强度和可调衰减器来控制该实验参数。

两路光电探测器将光电探测的结果零差探测后，光子数服从Skellam分布，其分布由下式给出：

p_k＝P(n₁-n₂＝k′)＝e^-2μI_k(2μ)

其中，I_k(2μ)为修正贝塞尔函数；n₁、n₂分别对应两路光的平均光子数，也是Skellam分布的两个参数，决定了此分布的形状。

在本发明实施例中，通过以上计算可以获知量子噪声分布情况。

经典噪声在系统中是服从高斯分布的，只需要测量出没有光输入的时候的经典噪声σ_e ²，就可以计算出量子噪声所占比例。

通过计算量子噪声分布情况计算得到最小熵。随机性是由最小熵来量化的，其定义为：

H_∞＝-log₂p_max

其中p_max是最有可能出现结果的概率。真空态涨落的随机数是服从Skellam分布的，通过前述的量子噪声方差σ_q ²，就可以得到p_max，从而计算出最小熵。

在本发明实施例中，光电探测器的输入光功率控制在3.95mW。采集到的噪声分布如图2，可以得到分布的标准差σ_total＝8.4mV，同理得到在没有光输入的经典噪声σ_e＝5mV。经过上述最终计算，得到H_∞＝4.30bit/Sample。对应随机数产生速率为21.5Gbps。

在最终的随机数后处理中，采用基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵算法，矩阵大小为n×m，即从n比特原始量子随机数数据可提取出m比特的最终随机数，且满足如下关系：n/m≤H_∞。经过上述处理可以得到最终的量子随机数，其随机性来源于量子物理基本原理，是信息理论可证的。

上述方案中，原始数据的最小熵是根据测量结果计算得到的，测量结果可实时在FPGA内部得到，从而实现了最小熵的精确估算。原始数据经过后处理之后，可以实时得到最终的真空态涨落的量子随机数。通过以上方案，可以获得高速、稳定的量子随机数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，其特征在于，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路；其中：

所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器；跨阻放大器将电流信号放大并且转化为电压信号，此电压信号即为量子涨落产生的随机信号；

其中，所述光分束器以及第一与第二光衰减器集成光子集成芯片上，所述第一与第二光电探测器以及跨阻放大器与所述光子集成芯片集成在一起，构成随机数芯片；所述光分束器由硅基波导2×2MMI构成；所述第一与第二光衰减器结构相同，均由两个1×2MMI构成干涉仪，干涉仪的其中一臂设有一个热光相位调制臂，MMI为多模干涉光分束器；

光分束器的输入一路为本振光源，即连续激光，另一路空置，即真空态光；若两路输入量子态为经过光分束器和两路衰减器后，两路光变为/>

光电转换后，第一与第二光电探测器上通过的电流为：

上式中，分别对应本振光源和真空态，/>即为真空态，k为光电探测器的量子效率，/>分别对应两路输入光电探测器的光强；增加了上标“+”代表/>量子态的厄米共轭；电流值应等于量子效率与光强大小的乘积，两路电流的差为：

其中，<Δi²>对应量子噪声σ_q ²，电子学读出电路得到的噪声分布分为两部分，量子噪声σ_q ²和经典噪声σ_e ²，即

σ_total ²＝σ_q ²+σ_e ²

两路光电探测器将光电探测的结果零差探测后，光子数服从Skellam分布，其分布由下式给出：

p_k＝P(n₁-n₂＝k′)＝e^-2μI_k(2μ)

其中，I_k(2μ)为修正贝塞尔函数；n₁、n₂分别对应两路光的平均光子数，也是Skellam分布的两个参数，决定了此分布的形状；

通过计算量子噪声分布情况计算得到最小熵，随机性是由最小熵来量化的，其定义为：

H_∞＝-log₂p_max

其中，p_max是最有可能出现结果的概率，真空态涨落的随机数是服从Skellam分布的，通过前述的量子噪声方差σ_q ²，得到p_max，从而计算出最小熵。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，其特征在于，所述电子学读出电路包括：依次连接的模数转换器与现场可编程门阵列。