CN108536424B - 一种基于真空涨落的量子随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于真空涨落的量子随机数发生器，包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器；光源将生成的相干光输出至分束器的第一输入端；分束器的第二输入端接收真空态；分束器将相干光和真空态分成两束光信号分别输出至第一、第二探测器；第一探测器将光信号转换成第一电流信号并将其输出至减法器的第一输入端；第二探测器将光信号转换成第二电流信号并将其输出至减法器的第二输入端；减法器将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；转换器将差值转换成离散的数字信号。应用本发明可以利用真空态的量子涨落生成随机数，有效地增加随机数产生率，保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。

Description

一种基于真空涨落的量子随机数发生器

技术领域

本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种基于真空涨落的量子随机数发生器。

背景技术

现代社会中有很多用到随机数的场合，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言，在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学等各方面，随机数都有非常重要的应用。

现有技术中往往是基于某些确定算法来生成随机数。但是，基于算法的软件方法只能产生伪随机数。从其生成原理上来看，伪随机数实际上只是“看起来像”是一个随机数，也就是说，以现在的科学技术水平，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和真随机数的不同。但是，从本质上来说，伪随机数和真随机数的熵是不同的。因此，这些伪随机数实际是可以被预测的，而并不是真正的随机数。所以，在一些特定的领域或实际使用场景（例如，在安全通讯、量子通信等要求保证绝对安全的领域等），这种伪随机数是不安全的，不能直接使用伪随机数。

随着技术的进步，基于硬件的随机数发生器也在不断地发展。其中，有一类随机数发生器是基于经典噪声（例如，电路热噪声）的发生器。虽然在使用过程中由于噪声系统的复杂性，其产生的随机数是不可预测的，但是由于它们仍然是经典系统，因此所生成的随机数在本质上还是事先确定好的，而并不是真正随机的。

根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，例如，基于单光子探测、基于光源强度或者相位测量的随机数发生器都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，例如基于单光子探测的ID-Quantique随机数发生器，也已经进入市场。

现有技术中的量子随机数发生器，主要是采用对已知源直接进行量子测量的方法，来产生由量子力学原理保障的真随机数。但是，现有商用量子随机数发生器大多采用单光子探测的方法，其随机数的产生速率受到了单光子探测器死时间（dead time）的制约，使得其随机数码率很低，很难满足当今科技层面和社会层面的不断增长的需求。另外，近来所提出的基于光源的光强或相位噪声测量的量子随机数发生器，其光学装置比较复杂，不便于集成和制造，难以得到广泛地应用。此外，即使是量子随机数发生器，也要对光源有一定的假设和要求，例如对光源的纯度有一定要求。如果光源被入侵者破坏，其产生的随机数也是不可靠的。而在实际应用中，一般很难在实际使用时完全保证源包含了足够的量子随机性，由此而生成的随机数也无法得到有效地保障。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于真空涨落的量子随机数发生器，从而可以利用真空态的量子涨落生成随机数，有效地增加随机数产生率，保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种基于真空涨落的量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器；

所述光源，用于生成相干光，并将相干光输出至分束器的第一输入端；

所述分束器的第二输入端用于接收真空态，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器的输入端连接；所述分束器用于将所接收的相干光以及真空态分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；

第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；

所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；

所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；

所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；

所述转换器，用于将所述差值转换成离散的数字信号。

较佳的，所述量子随机数发生器还进一步包括：后处理器；

所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。

较佳的，所述光源为具有稳定频率和相位的激光器。

如上可见，在本发明中的基于真空涨落的量子随机数发生器中，由于使用了上述的光源、分束器、两个探测器、减法器和模数转换器，因此可以利用真空态的量子涨落，对真空态的连续变量进行测量以产生随机数。使用连续变量提取信息，从而可以有效地增加随机数产生率，以比较高的码率产生随机数。而且，由于真空态不需要光源输入，该真空态本身的纯度是有保证的。因此，通过使用真空态这个量子态来产生随机数，可以通过真空态的纯度和难以被攻击性来保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。此外，整个装置主要用到的探测方式为零差探测，因此结构简单，易于集成。从而可以降低整个装置的成本，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于真空涨落的量子随机数发生器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚地展现，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的基于真空涨落的量子随机数发生器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的基于真空涨落的量子随机数发生器包括：

光源11、分束器12、第一探测器13、第二探测器14、减法器15和模数转换器16；

所述光源11，用于生成相干光，并将相干光输出至分束器12的第一输入端；

所述分束器12的第二输入端用于接收真空态（即所述分束器12的第二输入端处不放置任何光源，此时，相当于向所述分束器12的第二输入端输入了真空量子态），所述分束器12的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器13和第二探测器14的输入端连接；所述分束器12用于将所接收的相干光以及真空态分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器13，另一束光信号输出至第二探测器14；

第一探测器13和第二探测器14的输出端分别与减法器15连接；

所述第一探测器13，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器15的第一输入端；

所述第二探测器14，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器15的第二输入端；

所述减法器15，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器16；

所述转换器16，用于将所述差值转换成离散的数字信号。

另外，在本发明的技术方案中，考虑到实际应用环境中，上述的量子随机数发生器中有可能由于周围环境的影响而引入一些经典的随机性，使得窃听者有可能窃取该部分的随机性，因此，还可以进一步考虑对模数转换器所输出的数字信号进行后处理，以进一步提高所得到的数字信号的随机性。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述量子随机数发生器还可以进一步包括：后处理器（图中未示出）；

所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。

通过上述的后处理器，可以对模数转换后的数字信号进行后处理，将可能被引入量子随机数发生器中的经典随机性从总的随机性内剔除掉，从而得到真正的量子随机数（即处理后的数字信号）。

另外，在本发明的技术方案中，上述的后处理器可以使用本领域中常用的对数字信号进行后处理的后处理设备，因此在此不再赘述。

由上可知，在本发明的上述量子随机数发生器中，光源所生成相干光输入到分束器的第一输入端，而分束器的第二输入端则没有任何光源输入，也就是说，在这个第二输入端输入了真空量子态。输入的光信号经过分束器进行变换后分成两束光信号，分别输入到第一探测器和第二探测器的输入端。这两个探测器可以将所接收到的光信号分别转换为第一电流信号i1和第二电流信号i2，并将这两个电流信号分别输入到减法器。减法器对接收到的两个电流信号进行相减操作，得到的两个电流信号的差值（i1－i2）就对应于真空态在坐标基矢下的概率分布。

具体来说，在本发明的具体实施例中，真空态在坐标基矢下的表达式为：

，

其概率分布为波函数的模平方，满足高斯分布。

因此，随着真空态的涨落，上述电流信号的差值也将发生对应的涨落，而且这种涨落是来源于真空态的量子性。所以，根据上述真空态的涨落而得到的电流信号的差值，并最终提取到的随机数必然也具有本质上的真随机性。

上述两个电流信号的差值将被输入到模数转换器中。该模数转换器可以将涨落的电流信号的差值转换为离散的数字信号。该模数转换器所输出的数字信号即可作为量子随机数，或者将该模数转换器所输出的数字信号作为量子随机数的原始数据，然后再通过后处理器对这些子随机数的原始数据进行后处理之后，将处理后的数据作为量子随机数。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述光源可以是具有稳定频率和相位的激光器。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于使用了上述的光源、分束器、两个探测器、减法器和模数转换器，因此可以利用真空态的量子涨落，对真空态的连续变量进行测量以产生随机数。使用连续变量提取信息，从而可以有效地增加随机数产生率，以比较高的码率产生随机数。而且，由于真空态不需要光源输入，该真空态本身的纯度是有保证的。因此，通过使用真空态这个量子态来产生随机数，可以通过真空态的纯度和难以被攻击性来保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。此外，整个装置主要用到的探测方式为零差探测，因此结构简单，易于集成。从而可以降低整个装置的成本，具有很高的实用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于真空涨落的量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器；

所述光源，用于生成相干光，并将相干光输出至分束器的第一输入端；

所述分束器的第二输入端用于接收真空态，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器的输入端连接；所述分束器用于将所接收的相干光以及真空态分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；

第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；

所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；

所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；

所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；

所述转换器，用于将所述差值转换成离散的数字信号。

2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器还进一步包括：后处理器；

所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。

3.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：

所述光源为具有稳定频率和相位的激光器。