CN108563422B - 随机数发生器及随机数发生方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种随机数发生器及随机数发生方法。所述随机数发生器包括：相干光源，用于产生一束相干光；分束模块，用于将接收到的一束相干光分成多束相干光；以及随机源，与所述分束模块多路耦合，藉由多路复用通道将所述多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。本申请随机数发生器的真空涨落是一个连续变量，对它的测量可以提高每个光子携带的信息量，从而提高随机数产生率；本申请采用多路复用的技术，将由分束模块输出的每两路输出信号进行零差探测，作为一个独立的真空涨落随机数发生器，最后将所有输出合并在一起，进一步提高随机数产生率。

Description

随机数发生器及随机数发生方法

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种多路复用的基于真空涨落随机数发生器及随机数发生方法。

背景技术

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、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，伪随机实际上只是“看起来像”随机数，也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出它们的不同。但是从本质上看它们的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。

根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上有保证。

根据量子力学的基本原理，量子随机数发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，比如利用单光子探测，量子非局域性和真空态的统计涨落都已经实验成功。

同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantique system，已经进入市场。但是值得指出的是，这些量子随机数发生器都不可避免地依赖于对模型的假设，以及对设备装置完美的要求。在相关技术中，主要是采用将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。如ID-Quantique随机数发生器中采用的方案，发光二极管向半透半反的镜子发射单光子，并由两个单光子探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单光子会透射还是反射本质上是一个量子效应，因而得到真随机数。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种随机数发生器及随机数发生方法，用于解决现有技术中随机数产生率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种随机数发生器，包括：相干光源，用于产生一束相干光；分束模块，用于将接收到的一束相干光分成多束相干光；以及随机源，与所述分束模块多路耦合，藉由多路复用通道将所述多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述相干光源为激光器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述相干光源为连续波激光器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述分束模块为具有多个输出端的波导管，所述波导管的多个输出端通过光纤阵列与所述随机源相耦合，其中，每一所述输出端输出一束相干光。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述波导管的分束比为50：50。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述分束模块是由多个分束器级联形成的分束器组，所述分束器组的输出端通过光纤阵列与所述随机源相耦合。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述随机源包括：零差探测模块，包括多个并联设置的零差探测单元，每一所述零差探测单元对应接收相邻的一对相干光束，用于将该对相干光束转换为电信号；电信号转换模块，包括多个并联设置的电信号转换单元，每一所述电信号转换单元对应连接每一所述零差探测单元，用于将各所述零差探测单元产生的电信号转换为原始数据；以及后处理模块，包括多个并联设置的后处理单元，每一所述后处理单元对应连接每一电信号转换单元，用于将各所述电信号转换单元输出的原始数据转化为均匀分布的随机数，以使多路所述均匀分布的随机数合并处理后生成随机数序列。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述零差探测模块中的多个并联设置的零差探测单元之间相互独立；相应地，所述电信号转换模块中的多个并联设置的电信号转换单元之间相互独立；所述后处理模块中的多个并联设置的后处理单元之间相互独立。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述零差探测单元为将真空涨落光信号转化为强度涨落模拟电信号的零差探测器，所述模拟电信号呈高斯分布。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述电信号转换单元为将强度涨落模拟电信号转化为数字信号的ADC转换器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述后处理单元包括FPGA处理器。

在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述多路复用通道中的每一路复用通道由一零差探测单元、对应连接所述零差探测单元的电信号转换单元、以及对应连接所述电信号转换单元的后处理单元组成。

本申请的第二方面还提供一种随机数发生方法，包括以下步骤：产生一束相干光；将接收到的一束相干光分成多束相干光；以及藉由多路复用通道将所述多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述产生一束相干光的步骤为由一激光器产生一束相干光。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述激光器为连续波激光器。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将接收到一束相干光分成多束相干光的步骤为通过一具有多个输出端的波导管将所述一束相干光分成多束相干光，其中，每一所述输出端输出一束相干光，所述波导管的分束比为50：50。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将接收到一束相干光分成多束相干光的步骤为藉由多个级联的分束器组将所述一束相干光分成多束相干光。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述藉由多路复用通道将各所述相干光束处理为均匀分布的随机数的步骤包括：将接收的所述多束相干光中每一对相邻的相干光束转换为电信号，以输出多路电信号；将所述多路电信号中的每一路电信号转换为原始数据，以输出多路原始数据；以及将所述多路原始数据中的每一路原始数据转化为均匀分布的随机数。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将一对相干光束转换为电信号的步骤为将真空涨落的光信号转化为强度涨落的模拟电信号，模拟电信号呈高斯分布。

在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述将电信号转换为原始数据的步骤为将强度涨落模拟电信号转化为数字信号作为原始数据。

如上所述，本申请的多路复用的基于真空涨落随机数发生器及随机数发生方法，具有以下有益效果：本申请多路复用的基于真空涨落随机数发生器的真空涨落是一个连续变量，对它的测量可以提高每个光子携带的信息量，从而提高随机数产生率；本申请采用多路复用的技术，将由分束模块输出的每两路输出信号进行零差探测，作为一个独立的真空涨落随机数发生器，最后将所有输出合并在一起，进一步提高随机数产生率。

附图说明

图1显示为本申请随机数发生器在一种实施方式中的结构示意图。

图2显示为本申请随机数发生器中分束器组在一种实施方式中的结构示意图。

图3显示为本申请随机数发生器中分束器组在另一种实施方式中的结构示意图。

图4显示为本申请随机数发生器中随机源在一种实施方式中的结构示意图。

图5显示为本申请随机数发生器中随机源在另一种实施方式种的结构示意图。

图6显示为本申请随机数发生方法在一种实施方式中的流程图。

图7显示为本申请随机数发生方法中的步骤S12在一种实施方式中的流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行组成以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由本申请的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

现代社会中有很多用到随机数的场合，但是这些随机数往往是基于某些算法产生的伪随机数。正如本申请背景技术部分所述的，经典计算机产生的伪随机数是可以被预测的。在一些特定场合，如量子通信，这种随机数是不安全的。根据量子力学的基本原理，量子随机数发生器可以产生真随机数。近年来提出的基于测量真空态涨落的随机数发生器有很大的优势。在实用性方面，其器件均为经典光学通信常用器件，如平衡零差探测等；在效率方面，由于是对连续变量进行测量，一次测量可以得到更多随机比特数，相对离散变量具有更高效率。

现有的商用量子随机数发生器大多采用单光子探测的方法，由于采用单光子探测器，其成本高昂，最终的随机数产生速率也受到单光子探测器死时间(dead time)的制约。因此如何提高量子随机数产生速率并降低成本是此领域需要解决的问题。

基于此，本申请提出多路复用的基于真空涨落随机数发生器，通过波导管对本地振荡器的强激光进行多路复用，可以同时生成多个随机数串。相比于单光子探测器降低了成本；通过测量连续变量产生随机数，提高了随机数产生速率；采用多路复用的技术，进一步提高随机数产生率。

请参阅图1，图1显示为本申请随机数发生器在一种实施方式中的结构示意图，如图所示，随机数发生器包括相干光源11、分束模块12以及随机源13。

相干光源11用于产生一束相干光。其中，在光纤通信中，要用相干光来载送信号的载波。在光学上，相干光是指“在时间或空间的任意点上，特别是在垂直于光的传播方向的平面上的一个区域内，或在空间的一个特定点的所有时间里，光的所有参数都可以预测并相关的光”。通俗一些地说：“这种光波上各点之间具有固定相位关系的特性”。即所有的光都平行于同一传播轴，形成极细、高度聚焦的光束，只有这种具有相干性的光，才能用来传送信息。在实际应用中，激光器的辐射可以产生相干性很好的相干光。

鉴于此，在一实施例中，所述相干光源为激光器。在一具体示例中，所述激光器为连续波激光器，更具体地，所述激光器为强光连续波模式激光器(Continuous Wave，简称CW)。所述连续波激光器是指用于输出连续的激光信号的激光器，连续波激光器与脉冲激光器相对应，由连续波激光器输出的激光信号的激光强度在时域上是一条平稳曲线而不是一个个分立的脉冲。此外，在实际应用中，在连续波激光器的光强越大的情况下，后续处理中对应的随机性越大，因而，可以选用光强较大的连续波激光器以产生随机性较强的随机数。

分束模块12用于将接收到的一束相干光分成多束相干光。在一实施例中，所述分束模块为具有多个输出端的波导管。所述波导管的输入端与相干光源连接，所述波导管的多个输出端通过光纤阵列与稍后描述的随机源相耦合。由于相干光源发出相干光，所述相干光经由波导管分束之后仍为互相独立的相干光，所以所述波导管的每一输出端输出一束相干光。在一示例中，波导管的分束比为50：50。

在另一实施例中，分束模块还可以是由多个分束器级联形成的分束器组。其中，分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置。所述分束器组的输入端与相干光源连接，所述分束器组的输出端通过光纤阵列与稍后描述的随机源相耦合。

在一实施例中，请参阅图2，图2显示为本申请随机数发生器中分束器组在一种实施方式中的结构示意图，如图所示，分束器组121包括分束器A₁、A₂……A_n(统称为分束器A)，其中，n表示分束器的个数。如图所示，分束器组121的输入端即分束器A₁的输入端与相干光源11的输出端连接以接收一束相干光，然后，分束器A₁将接收到的一束相干光分成A₁₁和A₁₂两束相干光，其中光束A₁₁输出至随机源，光束A₁₂作为分束器A₂的输入光束经分束器A₂分成A₂₁和A₂₂两束相干光，其中光束A₂₁输出至随机源，光束A₂₂作为分束器A₃的输入光束经分束器A₃分成A₃₁和A₃₂两束相干光，其中光束A₃₁输出至随机源，光束A₃₂作为下一分束器的输入光束，以此类推，分束器A_n的输入光束经分束器A_n分成A_n1和A_n2两束相干光，其中光束A_n1输出至随机源。光束A₁₁、A₂₁、A₃₁……A_n1作为分束器组的输出通过光纤阵列耦合随机源。

在另一实施例中，请参阅图3，图3显示为本申请随机数发生器中分束器组在另一种实施方式中的结构示意图，如图所示，分束器组121包括分束器A₁、A₂……A_n(统称为分束器A)，分束器B₁、B₂……B_n(统称为分束器B)，其中，n表示分束器的个数。如图所示，分束器组121的输入端即分束器A₁的输入端与相干光源11的输出端连接以接收一束相干光，然后，分束器A₁将接收到的一束相干光分成A₁₁和A₁₂两束相干光，其中光束A₁₁经分束器B₁分成B₁₁和B₁₂两束相干光并输出至随机源，光束A₁₂作为分束器A₂的输入光束经分束器A₂分成A₂₁和A₂₂两束相干光，其中光束A₂₁经分束器B₂分成B₂₁和B₂₂两束相干光并输出至随机源，光束A₂₂作为分束器A₃的输入光束经分束器A₃分成A₃₁和A₃₂两束相干光，其中光束A₃₁经分束器B₃分成B₃₁和B₃₂两束相干光并输出至随机源，光束A₃₂作为下一分束器的输入光束，以此类推，分束器A_n的输入光束经分束器A_n分成A_n1和A_n2两束相干光，其中光束A_n1经分束器B_n分成B_n1和B_n2两束相干光并输出至随机源。光束B₁₁和B₁₂、B₂₁和B₂₂、B₃₁和B₃₂……B_n1和B_n2作为分束器组的输出通过光纤阵列耦合随机源。

随机源13与分束模块12多路耦合。所述随机源用于藉由多路复用通道将多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。在一实施例中，随机源与波导管的多个输出端多路耦合。在另一实施例中，随机源与分束器组的多个输出端多路耦合。

请参阅图4，图4显示为本申请随机数发生器中随机源在一种实施方式中的结构示意图，如图所示，随机源包括零差探测模块131、电信号转换模块132以及后处理模块133。在某些实施例中，零差探测模块131用于将由分束模块输入的相干光转换为模拟电信号，电信号转换模块132用于将所述模拟电信号转换为数字电信号，所述数字信号称为原始数据，后处理模块133用于将所述原始数据转化为均匀分布的随机数。

请参阅图5，图5显示为本申请随机数发生器中随机源在另一种实施方式种的结构示意图，如图所示，随机源14包括零差探测模块141、电信号转换模块142以及后处理模块143。

在图示的实施例中，分束模块12包括六个输出端，输出六束相干光。在这种情况下，零差探测模块141包括三个并联设置的零差探测单元1411。零差探测单元1411对应接收经分束模块12输出的相邻的一对相干光束，并将该对相干光束转换为电信号输出。在某些实施例中，所述电信号为电流信号，零差探测单元1411对所述电流信号进行减法处理并输出。在这种情况下，由于分束模块的两个相邻输出端的相干态激光作为一个等效的本地谐振子进行零差探测，因而零差探测单元只有本地谐振子的输入，因此，每个零差探测单元都可以看作一个真空态输入的真空涨落随机数发生器，零差探测的输出可以看作高斯分布的连续变量。也就是说，在某些实施例中，所述零差探测单元为将真空涨落光信号转化为强度涨落模拟电信号的零差探测器，所述模拟电信号呈高斯分布。此外，零差探测模块141中的三个并联设置的零差探测单元1411之间相互独立。

所述分束模块的输出端不局限于六个输出端，在其他实施例中，应根据实际的需要做适应性调整，使所述分束模块的输出端更多或者更少，特此述明。

电信号转换模块142包括三个并联设置的电信号转换单元1421。电信号转换单元1421对应连接上述的零差探测单元1411并将零差探测单元1411产生的电信号转换为原始数据。所述原始数据即由电信号转换获得的数字信号。在某些实施例中，电信号转换单元为将连续变化的强度涨落模拟电信号转换为数字信号的ADC转换器。此外，电信号转换模块142中的三个并联设置的电信号转换单元1421之间相互独立。

后处理模块143包括三个并联设置的后处理单元1431。后处理单元1431对应连接电信号转换单元1421。后处理单元1431将电信号转换单元1421输出的原始数据转化为均匀分布的随机数，以使多路均匀分布的随机数合并处理后生成随机数序列。在某些实施例中，后处理单元包括FPGA处理器。经由每个后处理单元所获得的随机数通过合并处理生成最终的随机数序列。此外，后处理模块134中的三个并联设置的后处理单元1431之间相互独立。

需要说明的是，上述分束模块输出端、零差探测单元、电信号转换单元、后处理单元的数量仅为举例，本领域技术人员可以基于实际需求或经验或用户需求设置为其他数量。

另外，参照图5可知，本申请中的一个零差探测单元1411、对应连接该零差探测单元1411的电信号转换单元1421以及对应连接该电信号转换单元的后处理单元1431组成多路复用通道中的一路复用通道。本申请的随机数发生器通过采用多路复用的技术，将由分束模块输出的每两路输出信号进行零差探测，作为一个独立的真空涨落随机数发生器，最后将所有输出合并在一起，提高随机数产生率。同时，本申请基于真空涨落随机数发生器的真空涨落是一个连续变量，对它的测量可以提高每个光子携带的信息量，进一步提高随机数产生率。

本申请还提供一种随机数发生方法，所述随机数发生方法由上述随机数发生器执行。请参阅图6，图6显示为本申请随机数发生方法在一种实施方式中的流程图，如图所示，所述随机数发生方法包括步骤S10、步骤S11以及步骤S12。

在步骤S10中，产生一束相干光。

在光学上，相干光是指“在时间或空间的任意点上，特别是在垂直于光的传播方向的平面上的一个区域内，或在空间的一个特定点的所有时间里，光的所有参数都可以预测并相关的光”。通俗一些地说：“这种光波上各点之间具有固定相位关系的特性”。即所有的光都平行于同一传播轴，形成极细、高度聚焦的光束，只有这种具有相干性的光，才能用来传送信息。在实际应用中，由于激光器的辐射可以产生相干性很好的相干光，因而，所述产生一束相干光的步骤可以为由一激光器产生一束相干光。

在一具体示例中，所述激光器为连续波激光器，更具体地，所述激光器为强光连续波模式激光器(Continuous Wave，简称CW)。所述连续波激光器是指用于输出连续的激光信号的激光器，连续波激光器与脉冲激光器相对应，由连续波激光器输出的激光信号的激光强度在时域上是一条平稳曲线而不是一个个分立的脉冲。此外，在实际应用中，在连续波激光器的光强越大的情况下，后续处理中对应的随机性越大，因而，可以选用光强较大的连续波激光器以产生随机性较强的随机数。

在步骤S11中，将接收到的一束相干光分成多束相干光。

在一实施例中，所述将接收到一束相干光分成多束相干光的步骤为通过一具有多个输出端的波导管将所述一束相干光分成多束相干光。在这种情况下，由于接收到的是一束相干光，所述相干光经由波导管分束之后仍为互相独立的相干光，所以波导管的每一输出端输出一束相干光。此外，在所述波导管接收一束相干光并将所述相干光分成多束相干光的示例中，所述波导管的输入端可与上述产生相干光的激光器连接以接收由激光器发出的一束相干光，所述波导管的多个输出端可通过光纤阵列以将所分成的多束相干光输入至稍后描述的随机源。在一示例中，所述波导管的分束比为50：50。

在另一实施例中，所述将接收到一束相干光分成多束相干光的步骤为藉由多个级联的分束器组将所述一束相干光分成多束相干光。其中，分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置。所述分束器组的输入端可与上述产生相干光的激光器连接，所述分束器组的输出端可通过光纤阵列以将所分成的多束相干光输入至稍后描述的随机源。

在一实施例中，请参阅图2，图2显示为分束器组在一种实施方式中的结构示意图，如图所示，分束器组121包括分束器A₁、A₂……A_n(统称为分束器A)，其中，n表示分束器的个数。如图所示，分束器组121的输入端即分束器A₁的输入端与相干光源11的输出端连接以接收一束相干光，然后，分束器A₁将接收到的一束相干光分成A₁₁和A₁₂两束相干光，其中光束A₁₁输出至随机源，光束A₁₂作为分束器A₂的输入光束经分束器A₂分成A₂₁和A₂₂两束相干光，其中光束A₂₁输出至随机源，光束A₂₂作为分束器A₃的输入光束经分束器A₃分成A₃₁和A₃₂两束相干光，其中光束A₃₁输出至随机源，光束A₃₂作为下一分束器的输入光束，以此类推，分束器A_n的输入光束经分束器A_n分成A_n1和A_n2两束相干光，其中光束A_n1输出至随机源。光束A₁₁、A₂₁、A₃₁……A_n1作为分束器组的输出通过光纤阵列耦合随机源。

在另一实施例中，请参阅图3，图3显示为分束器组在另一种实施方式中的结构示意图，如图所示，分束器组121包括分束器A₁、A₂……A_n(统称为分束器A)，分束器B₁、B₂……B_n(统称为分束器B)，其中，n表示分束器的个数。如图所示，分束器组121的输入端即分束器A₁的输入端与相干光源11的输出端连接以接收一束相干光，然后，分束器A₁将接收到的一束相干光分成A₁₁和A₁₂两束相干光，其中光束A₁₁经分束器B₁分成B₁₁和B₁₂两束相干光并输出至随机源，光束A₁₂作为分束器A₂的输入光束经分束器A₂分成A₂₁和A₂₂两束相干光，其中光束A₂₁经分束器B₂分成B₂₁和B₂₂两束相干光并输出至随机源，光束A₂₂作为分束器A₃的输入光束经分束器A₃分成A₃₁和A₃₂两束相干光，其中光束A₃₁经分束器B₃分成B₃₁和B₃₂两束相干光并输出至随机源，光束A₃₂作为下一分束器的输入光束，以此类推，分束器A_n的输入光束经分束器A_n分成A_n1和A_n2两束相干光，其中光束A_n1经分束器B_n分成B_n1和B_n2两束相干光并输出至随机源。光束B₁₁和B₁₂、B₂₁和B₂₂、B₃₁和B₃₂……B_n1和B_n2作为分束器组的输出通过光纤阵列耦合随机源。

在步骤S12中，藉由多路复用通道将多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。

在某些实施例中，采用随机源实现藉由多路复用通道将多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列的步骤。其中，在一实施例中，所述随机源与上述的具有多个输出端的波导管多路耦合以接收经由波导管分成的多束相干光。在另一实施例中，所述随机源与上述的分束器组多路耦合以接收经由分束器组分成的多束相干光。

请参阅图7，图7显示为本申请随机数发生方法中的步骤S12在一种实施方式中的流程图，如图所示，步骤S12可以包括步骤S121、步骤S122、步骤S123以及步骤S124。

在步骤S121中，将接收的多束相干光中每一对相邻的相干光束转换为电信号以输出多路电信号。

在某些实施例中，采用多个零差探测单元将接收的多束相干光中每一对相邻的相干光束转换为电信号以输出多路电信号。在某些实施例中，所述电信号为电流信号，零差探测单元对所述电流信号进行减法处理并输出。在这种情况下，由于所接收的多束相干光中的两个相邻的相干态光束作为一个等效的本地谐振子进行零差探测，因而零差探测单元只有本地谐振子的输入，因此，每个零差探测单元都可以看作一个真空态输入的真空涨落随机数发生器，零差探测的输出可以看作高斯分布的连续变量。也就是说，在某些实施例中，所述将一对相干光束转换为电信号的步骤为将真空涨落的光信号转化为强度涨落的模拟电信号，所述模拟电信号呈高斯分布。

在步骤S122中，将多路电信号中的每一路电信号转换为原始数据以输出多路原始数据。

在某些实施例中，采用多个电信号转换单元将多路电信号中的每一路电信号转换为原始数据以输出多路原始数据。所述电信号转换单元接收上述对应的零差探测单元输出的电信号并将其转换为原始数据。所述原始数据即由电信号转换获得的数字信号。在某些实施例中，所述将电信号转换为原始数据的步骤为将强度涨落模拟电信号转化为数字信号作为原始数据。相应地，电信号转换单元为将连续变化的强度涨落模拟电信号转换为数字信号的ADC转换器。

在步骤S123中，将多路原始数据中的每一路原始数据转化为均匀分布的随机数。

在某些实施例中，采用多个后处理单元将多路原始数据中的每一路原始数据转化为均匀分布的随机数。所述后处理单元接收上述对应的电信号转换单元输出的原始数据并将其转化为均匀分布的随机数。

在步骤S124中，将各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列。

在某些实施例中，将经由每个后处理单元所获得的随机数通过合并处理生成最终的随机数序列。其中，各路复用通道是指实现将接收的多束相干光中一对相邻的相干光束转换为电信号、将所述电信号转换为原始数据以及将所述原始数据转化为均匀分布的随机数流程的每一路复用通道，也就是说，各路复用通道是指由上述零差探测单元、对应该零差探测单元的电信号转换单元以及对应该电信号转换单元的后处理单元组成的每一路复用通道。

本申请的随机数发生方法采用多路复用的技术，将由分束模块输出的每两路输出信号进行零差探测，作为一个独立的真空涨落随机数发生器，最后将所有输出合并在一起，提高随机数产生率。同时，本申请基于真空涨落随机数发生方法的真空涨落是一个连续变量，对它的测量可以提高每个光子携带的信息量，进一步提高随机数产生率。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种随机数发生器，其特征在于，包括：

相干光源，用于产生一束相干光；

分束模块，用于将接收到的一束相干光分成多束相干光；以及

随机源，与所述分束模块多路耦合，藉由多路复用通道将所述多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列；其中，所述多路复用通道中每路复用通道包括一零差探测单元、对应连接所述零差探测单元的电信号转换单元、以及对应连接所述电信号转换单元的后处理单元。

2.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述相干光源为激光器。

3.根据权利要求2所述的随机数发生器，其特征在于，所述相干光源为连续波激光器。

4.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述分束模块为具有多个输出端的波导管，所述波导管的多个输出端通过光纤阵列与所述随机源相耦合，其中，每一所述输出端输出一束相干光。

5.根据权利要求4所述的随机数发生器，其特征在于，所述波导管的分束比为50：50。

6.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述分束模块是由多个分束器级联形成的分束器组，所述分束器组的输出端通过光纤阵列与所述随机源相耦合。

7.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述随机源包括：

零差探测模块，包括多个并联设置的零差探测单元，每一所述零差探测单元对应接收相邻的一对相干光束，用于将该对相干光束转换为电信号；

电信号转换模块，包括多个并联设置的电信号转换单元，每一所述电信号转换单元对应连接每一所述零差探测单元，用于将各所述零差探测单元产生的电信号转换为原始数据；以及

后处理模块，包括多个并联设置的后处理单元，每一所述后处理单元对应连接每一电信号转换单元，用于将各所述电信号转换单元输出的原始数据转化为均匀分布的随机数，以使多路所述均匀分布的随机数合并处理后生成随机数序列。

8.根据权利要求7所述的随机数发生器，其特征在于，所述零差探测模块中的多个并联设置的零差探测单元之间相互独立；相应地，所述电信号转换模块中的多个并联设置的电信号转换单元之间相互独立；所述后处理模块中的多个并联设置的后处理单元之间相互独立。

9.根据权利要求7或8所述的随机数发生器，其特征在于，所述零差探测单元为将真空涨落光信号转化为强度涨落模拟电信号的零差探测器，所述模拟电信号呈高斯分布。

10.根据权利要求7或8所述的随机数发生器，其特征在于，所述电信号转换单元为将强度涨落模拟电信号转化为数字信号的ADC转换器。

11.根据权利要求7或8所述的随机数发生器，其特征在于，所述后处理单元包括FPGA处理器。

12.一种随机数发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生一束相干光；

将接收到的一束相干光分成多束相干光；以及

藉由多路复用通道将所述多束相干光中每相邻的一对相干光束处理为均匀分布的随机数，以使各路复用通道处理的随机数经合并处理后生成随机数序列；其中，所述各路复用通道是指实现将接收的多束相干光中一对相邻的相干光束转换为电信号、将所述电信号转换为原始数据、以及将所述原始数据转化为均匀分布的随机数流程的每一路复用通道。

13.根据权利要求12所述的随机数发生方法，其特征在于，所述产生一束相干光的步骤为由一激光器产生一束相干光。

14.根据权利要求13所述的随机数发生方法，其特征在于，所述激光器为连续波激光器。

15.根据权利要求14所述的随机数发生方法，其特征在于，所述将接收到的一束相干光分成多束相干光的步骤为通过一具有多个输出端的波导管将所述一束相干光分成多束相干光，其中，每一所述输出端输出一束相干光，所述波导管的分束比为50：50。

16.根据权利要求12所述的随机数发生方法，其特征在于，所述将接收到的一束相干光分成多束相干光的步骤为藉由多个级联的分束器组将所述一束相干光分成多束相干光。

17.根据权利要求12所述的随机数发生方法，其特征在于，所述将接收的多束相干光中一对相邻的相干光束转换为电信号步骤为将真空涨落的光信号转化为强度涨落的模拟电信号，模拟电信号呈高斯分布。

18.根据权利要求12所述的随机数发生方法，其特征在于，所述将所述电信号转换为原始数据的步骤为将强度涨落模拟电信号转化为数字信号作为原始数据。

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