CN108762723A - 一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器。该量子随机数生成器包括：激光器、干涉仪、光电探测器和模数转换器；所述激光器，用于生成具有相位涨落的信号光，并将信号光输出至干涉仪；所述干涉仪，用于将所述信号光中的相位涨落转换为强度涨落，并将转化后的信号光输出至光电探测器；所述光电探测器，用于将接收到的信号光中的光强转换成电流信号，并将得到的电流信号输出至模数转换器；所述模数转换器，用于将接收到的电流信号转换成离散的数字信号并输出。应用本发明可以利用激光器的相位涨落生成随机数，大大提高量子随机数的产生速率，并降低成本。

Description

一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器

技术领域

本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器。

背景技术

在现代社会中，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，随机数都有非常重要的应用。

经典的随机数生成方法只能产生伪随机数。例如，现有技术中的经典的随机数生成方法往往是基于某些确定的算法来生成随机数，但是这种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。

现有技术中还有根据物理过程的随机性的随机数生成器。例如，使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等物理过程来生成随机数的随机数生成器。使用这种方式生成的随机数虽然不会随着计算能力的发展而产生风险，但是由于它们仍然是经典系统，所述生产的随机数的随机性并无法从本质上得到保证。

现有技术中还提出了量子随机数生成器。该量子随机数生成器是根据量子力学的基本原理来生成量子随机数，该量子随机数是一种真随机数。现有技术中已经提出了很多的量子随机数生成器方案，例如，基于单光子探测的随机数生成器、基于量子非局域性的随机数生成器都已经实验成功。同时，商业量子随机数生成器，例如基于单光子探测的ID-Quantique随机数生成器，也已经进入市场。但是值得指出的是，这些量子随机数产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。

现有技术中的量子随机数生成器，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。例如，基于单光子探测的ID-Quantique随机数生成器，是通过发光二极管向半透半反的镜子发射单光子，并由两个单光电探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单光子会被透射还是会被反射在本质上是一个量子效应，因而所得到的量子随机数是一种真随机数。

然而，在上述的基于单光子探测的随机数生成器中，由于采用了单光电探测器，因此成本高昂，而且最终的随机数产生速率也受到单光电探测器死时间(deadtime)的制约，从而存在一个上限，使得现有技术中的量子随机数的产生速率受到了很大限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器，从而可以利用激光器的相位涨落生成随机数，大大提高量子随机数的产生速率，并降低成本。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器，该量子随机数生成器包括：激光器、干涉仪、光电探测器和模数转换器；

所述激光器，用于生成具有相位涨落的信号光，并将信号光输出至干涉仪；

所述干涉仪，用于将所述信号光中的相位涨落转换为强度涨落，并将转化后的信号光输出至光电探测器；

所述光电探测器，用于将接收到的信号光中的光强转换成电流信号，并将得到的电流信号输出至模数转换器；

所述模数转换器，用于将接收到的电流信号转换成离散的数字信号并输出。

较佳的，所述干涉仪包括：第一分束器、移相器和第二分束器；

所述第一分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述移相器和第二分束器；

所述移相器，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二分束器；

所述第二分束器，用于将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至光电探测器。

较佳的，所述干涉仪包括：分束器、第一法拉第旋转镜、移相器和第二法拉第旋转镜；

所述分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述第一法拉第旋转镜和移相器；并将所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜反射回的光信号合束后输出至光电探测器；

所述第一法拉第旋转镜，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度后反射回所述分束器；

所述移相器，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二法拉第旋转镜；

所述第二法拉第旋转镜，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度后通过移相器反射回所述分束器。

较佳的，所述干涉仪包括：分束器和光纤环；

所述分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述光纤环；

所述两束光信号分别通过所述光纤环返回至所述分束器；

所述分束器将通过所述光纤环返回的两路光信号进行合束后输出至光电探测器。

较佳的，所述量子随机数生成器还进一步包括：后处理器；

所述后处理器与所述模数转换器连接，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，所述激光器为激光二极管。

如上可见，在本发明中的基于激光器相位涨落的量子随机数生成器中，由于使用了上述的激光器、干涉仪、光电探测器和模数转换器，因此可以利用激光器内部介质的自发辐射所带来的随机相位涨落以产生随机数，从而可以保证所生成量子随机数的真随机性和可靠性。而且，由于激光器所输出的信号光的相位涨落是一个连续变量，当使用该连续变量传递信息时，增加了每个光子携带的信息量，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。此外，本发明的技术方案中的量子随机数生成器所使用的是光电探测器，而不是现有技术中的单光子探测器，并可采用激光二极管作为光源，因此可以大大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激光器相位涨落的量子随机数生成器的结构示意图。

图2为本发明的一个具体实施例中的干涉仪的结构示意图。

图3为本发明的另一个具体实施例中的干涉仪的结构示意图。

图4为本发明的另一个具体实施例中的干涉仪的结构示意图。

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激光器相位涨落的量子随机数生成器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的基于激光器相位涨落的量子随机数生成器包括：

激光器11、干涉仪12、光电探测器13和模数转换器14；

所述激光器11，用于生成具有相位涨落的信号光，并将信号光输出至干涉仪12；

所述干涉仪12，用于将所述信号光中的相位涨落转换为强度涨落，并将转化后的信号光输出至光电探测器13；

所述光电探测器13，用于将接收到的信号光中的光强转换成电流信号，并将得到的电流信号输出至模数转换器14；

所述模数转换器14，用于将接收到的电流信号转换成离散的数字信号并输出。

上述所述模数转换器14所输出的离散的数字信号即可作为量子随机数或量子随机数的原始数据。

由上可知，在本发明的上述量子随机数生成器中，使用了激光器作为光源。激光器可以由泵浦电流驱动，其增益介质由半导体P-N结构成。激光器的泵浦电流和激光器的增益介质以及谐振腔之间存在一个阈值关系。当激光器的泵浦电流强度低于这个阈值关系时，激光器内部仅存在微弱的自发辐射且无激光输出，只有当激光器的泵浦电流强度高于此阈值时才会有激光输出，且以受激辐射为主导。在本发明的技术方案中，在上述的量子随机数生成器正常工作时，可以将激光器的泵浦电流强度设为稍高于阈值，从而可以在有激光输出的条件下，使自发辐射的比例尽可能高。

在本发明的技术方案中，上述激光器所输出的信号光的相位波动经过合适的干涉之后可以被转换成光强的波动，然后该光强的波动即可方便地被高速光电探测器探测并转换成电流信号。因此，自发辐射所产生的光子的内秉随机特性即可被提取出来并转换成原始的量子随机数。也就是说，在本发明的技术方案中，上述量子随机数生成器所生成量子随机数的随机性实际上是提取自激光器内部介质的自发辐射所带来的随机相位涨落，从而保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

另外，由于上述激光器所输出的信号光的相位涨落是一个连续变量，当使用该连续变量传递信息时，增加了每个光子携带的信息量，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。本发明的技术方案中的量子随机数生成器的随机数产生率远远大于现有技术中的量子随机数生成器的随机数产生率。例如，本发明的技术方案中的量子随机数生成器可以达到Gbps量级。

此外，本发明的技术方案中的量子随机数生成器所使用的是光电探测器，而不是现有技术中的单光子探测器，并可采用激光二极管作为光源，因此可以大大降低整个装置的成本，具有很高的实用价值。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述激光器可以为激光二极管。

另外，在本发明的技术方案中，考虑到实际应用环境中，上述的量子随机数生成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，以消除偏置项、消除相邻随机数之间的关联，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，所述量子随机数生成器还可以进一步包括：后处理器(图中未示出)；

所述后处理器与所述模数转换器14连接，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生成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。

另外，在本发明的技术方案中，可以通过多种具体实现方式来实现上述的干涉仪。

例如，较佳的，如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述干涉仪可以包括：第一分束器21、移相器22和第二分束器23；

所述第一分束器21，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述移相器和第二分束器23；

所述移相器22，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二分束器23；

所述第二分束器23，用于将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至光电探测器13。

具体来说，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述干涉仪可以是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder inter-ferometer)。

再例如，较佳的，如图3所示，在本发明的另一个具体实施例中，所述干涉仪可以包括：分束器31、第一法拉第旋转镜32、移相器33和第二法拉第旋转镜34；

所述分束器31，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述第一法拉第旋转镜32和移相器33；并将所述第一法拉第旋转镜32和所述第二法拉第旋转镜34反射回的光信号合束后输出至光电探测器13；

所述第一法拉第旋转镜32，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度(例如，旋转90°)后反射回所述分束器31；

所述移相器33，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二法拉第旋转镜34；

所述第二法拉第旋转镜34，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度(例如，旋转90°)后通过移相器33反射回所述分束器31。

再例如，较佳的，如图4所示，在本发明的另一个具体实施例中，所述干涉仪可以包括：分束器41和光纤环42；

所述分束器41，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述光纤环42；

所述两束光信号分别通过所述光纤环42返回至所述分束器41；

所述分束器41将通过所述光纤环42返回的两路光信号进行合束后输出至光电探测器13。

另外，在本发明的技术方案中，光电探测器所输出的电流信号中有可能同时包含量子信号与经典噪声，它们随着激光器功率的变化规律是不同的，分别是功率的一次函数和二次函数。因此，较佳的，在本发明的一个具体实施例中个，可以通过在上述量子随机数生成器正常工作时，改变激光器的功率，拟合出总噪声的二次函数以及量子信号和经典噪声的比值，通过总噪声的方差来计算出量子信号的方差。由于量子信号呈高斯分布，因此通过计算出总信号的方差即可计算出量子信号的方差，最终可以根据最小熵公式计算出所生产的量子随机数中的随机性。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于使用了上述的激光器、干涉仪、光电探测器和模数转换器，因此可以利用激光器内部介质的自发辐射所带来的随机相位涨落以产生随机数，从而可以保证所生成量子随机数的真随机性和可靠性。而且，由于激光器所输出的信号光的相位涨落是一个连续变量，当使用该连续变量传递信息时，增加了每个光子携带的信息量，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。本发明的技术方案中的量子随机数生成器的随机数产生率远远大于现有技术中的量子随机数生成器的随机数产生率。例如，本发明的技术方案中的量子随机数生成器可以达到Gbps量级。此外，本发明的技术方案中的量子随机数生成器所使用的是光电探测器，而不是现有技术中的单光子探测器，并可采用激光二极管作为光源，因此可以大大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 (6)

1.一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器，其特征在于，该量子随机数生成器包括：激光器、干涉仪、光电探测器和模数转换器；

所述激光器，用于生成具有相位涨落的信号光，并将信号光输出至干涉仪；

所述干涉仪，用于将所述信号光中的相位涨落转换为强度涨落，并将转化后的信号光输出至光电探测器；

所述光电探测器，用于将接收到的信号光中的光强转换成电流信号，并将得到的电流信号输出至模数转换器；

所述模数转换器，用于将接收到的电流信号转换成离散的数字信号并输出。

2.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其特征在于，所述干涉仪包括：第一分束器、移相器和第二分束器；

所述第一分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述移相器和第二分束器；

所述移相器，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二分束器；

所述第二分束器，用于将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至光电探测器。

3.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其特征在于，所述干涉仪包括：分束器、第一法拉第旋转镜、移相器和第二法拉第旋转镜；

所述分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述第一法拉第旋转镜和移相器；并将所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜反射回的光信号合束后输出至光电探测器；

所述第一法拉第旋转镜，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度后反射回所述分束器；

所述移相器，用于对所接收到的光信号进行相位调整，并将相位调整后的光信号输出至第二法拉第旋转镜；

所述第二法拉第旋转镜，用于将接收到的光信号的偏振态旋转预设角度后通过移相器反射回所述分束器。

4.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其特征在于，所述干涉仪包括：分束器和光纤环；

所述分束器，用于将接收到的信号光分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至所述光纤环；

所述两束光信号分别通过所述光纤环返回至所述分束器；

所述分束器将通过所述光纤环返回的两路光信号进行合束后输出至光电探测器。

5.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其特征在于，所述量子随机数生成器还进一步包括：后处理器；

所述后处理器与所述模数转换器连接，用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。

6.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其特征在于：

所述激光器为激光二极管。