CN108762724A - 基于光量子学的真随机数发生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光量子学的真随机数发生装置及方法，所述装置包括光脉冲发生模块、光学器件、透射光电探测模块、反射光电探测模块、光电信号处理模块、FPGA单元；所述方法包括1)产生光脉冲；2)将光脉冲转换为单光子序列；3)将单光子序列经过光偏振，处于叠加态的每个光子以50％：50％的几率透射或者反射；4)分别检测透射或者反射的光子数，以其差值的正负性产生高低电平序列；5)将所述高低电平序列生成随机数“0”和“1”序列，作为随机数结果。本发明提出基于光量子学的真随机数发生装置及方法，能够很好地消除因激光光源或系统误差而带来的不能等概率地生成“0”与“1”的问题，并能通过校正程序保证生成随机数的随机性。
Description
技术领域
本发明涉及随机数源、光量子学以及嵌入式系统技术领域，具体地指一种基于光量子学的真随机数发生装置及方法。
背景技术
随机数就是取特定值的随机变量,它在搏彩业以及数值计算、信息加密等领域，随机数更是起着关键的作用。量子密钥分配是当今量子信息研究的热门，在各种量子密钥分配的实现方案中，随机数在密钥形成的过程中起着至关重要的作用。如果这些随机数被第三者窃取或者破解，通讯双方通过公共信道讨论探测结果时，窃听者就可能完全获取密钥而不被发现。因此，无论是在经典的信息安全领域还是今后的量子信息领域，一个不可破译的随机数发生器都是必要的。
一般情况下，人们总是把计算机里由特定的数学算法产生的伪随机数作为随机数源，由于其算法是确定性的，理论上总可以找到其中的规律从而将其破解。而基于物理量观测值本身的随机性的物理随机数发生器产生的是真正不可预测的随机数，是一个良好的真随机数源。在各种物理真随机数发生器中，基于量子力学原理的量子随机数发生器由于量子力学基本原理保证了其绝对随机性，是随机数源的重要发展方向。受光的量子性启发，人们设计制作了各种光量子随机数源。但目前，基于光量子随机数发生器还存在诸多有待解决的问题，比如：1.为了生成随机数需要单光子源。但目前发生单光子的手段尚未能实现，只能通过高度衰减的激光束提供随机数源。实际上往往有多个光子几乎同时入射到光分束器。因此人们往往想方设法得到单光子随机源，比如用了光子延时环，但该方法使得光路系统构造复杂。或基于对光子到达的先后时间进行高分辨率检测，但该方法对检测设备的分辨率要求极高，难以实现；另外，由于系统制造工艺存在误差，也不能保证生成的“0”和“1”是等概率的。为了能保证高质量的随机数生成，目前现有的光量子随机数发生器系统结构复杂，不便维护。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于光量子学的真随机数发生装置及方法，用以消除因激光光源或系统误差而带来的不能等概率地生成“0”和“1”的问题，能够产生真正意义上的随机数。
为达到上述目的，本发明提及的一种基于光量子学的真随机数发生装置，其特殊之处在于，所述装置包括光脉冲发生模块、光学器件、透射光电探测模块、反射光电探测模块、光电信号处理模块、FPGA单元；
所述光脉冲发生模块：用于产生光脉冲信号；
所述光学器件：包括光衰减器、电光偏振控制器、50/50光分束器，所述光衰减器用于将光脉冲信号转换为离散的单光子序列，所述电光偏振控制器用于对单光子序列产生的偏振态；所述50/50光分束器用于对经过偏振态的光子序列以50％：50％的几率透射或者反射；
所述透射光电探测模块：设置于50/50光分束器的透射输出端，用于探测光子并输出透射光电信号ui1；
所述反射光电探测模块：设置于50/50光分束器的反射输出端，用于探测光子并输出反射光电信号ui2；
所述光电信号处理模块：用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2的差值输出高低电平信号；
所述FPGA单元：用于根据高低电平信号生成随机数“0”和“1”序列，通过USB总线形式发送至PC机。
进一步地，所述FPGA单元计算所生成的随机数序列中“0”和“1”的个数的差值，若其差值大于预设值，则输出校正电压数字信号，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值，以实现校正，避免系统本身存在的误差导致随机数产生的误差。
更进一步地，还包括D/A转换模块，所述D/A转换模块用于根据FPGA单元输出的校正电压数字信号向电光偏振控制器输出电压，以调整单光子序列的偏振态。
更进一步地，所述光脉冲发生模块包括时钟电路、激光二极管、激光二极管驱动电路，所述时钟电路产生脉冲信号，驱动激光二极管根据脉冲信号发出光脉冲信号。
更进一步地，所述电光偏振控制器为两端被施加恒定电压的光偏振效应晶体。
更进一步地，所述透射光电探测模块和反射光电探测模块为相同结构，包括单光子前端检测电路和光电信号放大电路。
更进一步地，所述光电信号处理模块包括前级模拟减法电路和后级比较电路，所述前级模拟减法电路用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2输出差值信号u0，所述后级比较电路用于根据差值信号u0的正或负输出高电平或者低电平。
更进一步地，所述FPGA单元包括倍频模块、边缘检测模块、8位计数器、奇偶校验器、移位寄存器、FIFO缓冲区、USB接口、控制逻辑单元、校正电压输出模块。
本发明还提出一种基于光量子学的真随机数发生方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
1)产生光脉冲；
2)将光脉冲转换为单光子序列；
3)将单光子序列经过光偏振处于叠加态的每个光子以50％：50％的几率透射或者反射；
4)分别检测透射或者反射的光子数，以其差值的正负性产生高低电平序列；
5)将所述高低电平序列生成随机数“0”和“1”序列，作为随机数结果。
优选地，所述方法还包括：6)采集随机数序列中“0”和“1”的个数的差值，若其差值大于预设值，则调整步骤3)中单光子序列的偏振态，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值。
本发明的工作原理为：产生一系列激光脉冲，该激光光束经过光衰减器衰减后，产生离散的单光子序列。然后前经过电光偏振晶体偏振光，再经过50/50的光分束器时，将会随机性地选择两条输出路径中的一条而输出。通过在光分束器的两条输出路径中均设置有光电探测装置，以测量光子信号的有无，并将测量后的高低电平信号，处理后产生一系列以“0”和“1”序列组成的随机数，能够保证以均等的概率生成“0”和“1”序列。另外，由于系统本身不能避免地存在误差，最终生成的随机数“0”“1”序列的概率未必都为1/2。因此每次运行时，FPGA先进行预校正工作，采集生成的数目足够大的“0”“1”序列，判断它们的数目之差是否超过可容忍的阀值。若超过将“0”与“1”的数目之差作为负反馈值。FPGA根据该负反馈值，通过D/A转换器输出相应的校正电压施加于电光晶体型偏振控制器以小幅度调整激光的偏振态，使得生成随机序列中“0”与“1”数目之差在较小范围内。
本发明提出基于光量子学的真随机数发生装置及方法，能够很好地消除因激光光源或系统误差而带来的不能等概率地生成“0”与“1”的问题，并能通过校正程序保证生成随机数的随机性。
附图说明
图1为本发明基于光量子学的真随机数发生装置的结构框图。
图2为图1中光脉冲发生模块的电路结构图。
图3为图1中透射光电探测模块和反射光电探测模块的单光子检测前端电路的电路结构图。
图4为图1中透射光电探测模块和反射光电探测模块的光电信号前置放大电路的电路结构图。
图5为图1中光电处理模块的模拟减法运算电路的电路结构图。
图6为图1中光电处理模块的后级比较电路的电路结构图。
图7为FPGA单元的控制结构框图。
其中：光脉冲发生模块1，光学器件2，透射光电探测模块3-1，反射光电探测模块3-2，光电信号处理模块4，FPGA单元5，倍频模块5-1，边缘检测模块5-2，8位计数器5-3，奇偶校验器5-4，移位寄存器5-5，FIFO缓冲区5-6，USB接口5-7，控制逻辑单元5-8，校正电压输出模块5-9，上位机6，D/A转换模块7。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出一种基于光量子学的真随机数发生装置，包括光脉冲发生模块1、光学器件2、透射光电探测模块3-1、反射光电探测模块3-2、光电信号处理模块4、FPGA单元5和D/A转换模块7。
光脉冲发生模块1，即光源，用于产生光脉冲信号。如图2所示，光脉冲发生模块1包括时钟电路、激光二极管、激光二极管驱动电路，时钟电路产生脉冲信号，驱动激光二极管根据脉冲信号发出光脉冲信号。
光学器件2：包括光衰减器2-1、电光偏振控制器2-2、50/50光分束器2-3，光衰减器2-1用于将光脉冲信号转换为离散的单光子序列，电光偏振控制器2-2用于对单光子序列产生的偏振态；50/50光分束器2-3用于对经过偏振态的光子序列以50％：50％的几率透射或者反射。
从光脉冲发生模块1的激光二极管所发出的光脉冲(按照光的粒子性原理：光是由大量的光子组成的)首先经过光衰减器，通过光衰减器的光脉冲信号将会变成一个一个单光子序列(事实上理想的单光子序列并不存在，只是光信号经过衰减后，输出的光信号强度远低于输入光衰减器的光的强度，也就是输出的光信号所含有的光子数大大减少了)。
电光偏振控制器2-2为一种特殊的光偏振效应晶体，当在该晶体两端施加电压时，便会对透过晶体的光产生偏振效应。在本发明中高稳定性的恒定电压施加到该电光偏振控制器2-2上，使得激光脉冲经过光衰减器2-1衰减后成为单光子序列，输入到电光偏振控制器产生偏振态
被光衰减器2-1所衰减的激光脉冲输入50/50光分束器2-3。光脉冲信号被电光偏振控制器2-2编码后输入50/50光分束器2-3，入射的每个光子将会有一半的概率透射，一半的概率被反射回来。本发明所述50/50光分束器2-3属于量子光学中的“+”基，偏振态为的光子经过分束器后将随机地以1/2几率坍塌到|0>态，以1/2几率坍塌到|1>态，分别对应着光子的透射和反射。在50/50光分束器2-3的两个光输出口(分别称为透射端和反射端)各放置一个光电探测模块来探测光子的有无。
透射光电探测模块3-1：设置于50/50光分束器2-3的透射输出端，用于探测光子并输出透射光电信号ui1。
反射光电探测模块3-2：设置于50/50光分束器2-3的反射输出端，用于探测光子并输出反射光电信号ui2。
在光分束器2-3的两个光输出口(光子透射端与反射端)各放置一个单光子探测器，用以探测单光子的有无。透射光电探测模块3-1和反射光电探测模块3-2的结构相同，包括单光子检测前端电路和光电信号放大电路。为了提高探测的灵敏度，本发明选用APD雪崩光电二极管作为单光子检测前端电路，如图3所示，该二极管只要接收到单个光子，便会产生足够大的雪崩电流，所检测到的光子数越多，产生的雪崩电流越大。雪崩光电晶体管所产生的光电信号比较微弱，需要通过前置放大电路来放大，再输入后级的阀值比较电路。本发明使用高精度宽带运算放大器OP37实现前置放大。在反馈网络并联适当大小的电容以消除尖峰脉冲。光电信号前置放大电路如图4所示，放大后的光电信号从C端输出。
光电信号处理模块4：用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2的差值输出高低电平信号；光电信号处理模块4包括前级模拟减法电路和后级比较电路，前级模拟减法电路用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2输出差值信号u0，后级比较电路用于根据差值信号u0的正或负输出高电平或者低电平。
因为接收到的光脉冲信号中只有单个光子，只是理想情况，实际上不存在。往往在50/50分束器2-3的两个光子输出口上会检测到不止一个光子输出。因为每个光子是等概率随机选择输出路径，会出现两个光子输出口所检测到的光子数不同。因此光分束器的反射端的输出光子数比透射端的输出光子数多和少这两种情况也是等概率的。本发明将两路被放大的光电信号输入到模拟减法运算电路，计算并放大两路光电信号差值，便于后级比较电路的识别(如图5所示)。模拟减法运算电路如图4所示，其中透射端的光电信号从ui1输入，反射端光电信号从ui2输入。
经过模拟减法电路处理后,若ui1>ui2,则输出u0为负，表明透射端光子数大于反射端光子数；若为正则表明透射端光子数小于反射端光子数。模拟减法电路的输出信号输入至如图5所示由电压比较器组成的比较电路中。比较电路根据输入端uo的正或负，输出相应的标准电平信号，送入FPGA单元5的I/O端口进行判断。其中，当uo>0时，uo2输出高电平；而当uo<0时，因为二极管D1的反向截止作用，uo2输出低电平0V。高低电平分别代表数字信号中的“1”和“0”送入FPGA单元5的I/O引脚。
FPGA单元5：用于根据高低电平信号生成随机数“0”和“1”序列，通过SPI总线形式发送至上位机6。FPGA单元5计算所生成的随机数序列中“0”和“1”的个数的差值，若其差值大于预设值，则输出校正电压数字信号，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值。FPGA单元5包括倍频模块5-1、边缘检测模块5-2、8位计数器5-3、奇偶校验器5-4、移位寄存器5-5、FIFO缓冲区5-6、USB接口5-7、控制逻辑单元5-8、校正电压输出模块5-9。FPGA单元5接收光电信号处理电路4的电平信号，生成一个8位二进制数序列。再对该序列进行奇偶校验：若序列中有偶数个“1”，记为随机数“1”。反之若序列中有奇数个“1”，记为随机数“0”.就这样生成一系列的随机数“0”和“1”序列，通过USB总线形式发送至上位机6。
D/A转换模块7用于根据FPGA单元5输出的校正电压数字信号向电光偏振控制器2-2输出电压。
本发明还提出一种基于光量子学的真随机数发生方法，该方法可以通过上述装置实现，但该装置只是本发明方法的一个实施例，本方法并不局限于通过该装置实现。
所述方法包括如下步骤：
光脉冲发生模块1在窄脉冲信号发生电路的驱动作用下，产生一系列的光脉冲；
2)光脉冲通过光衰减器2-1，经过其衰减后变成一个一个单光子序列(实际情况不存在单光子序列，只是光脉冲经过衰减后，所含有的光子数大大减少了)；
3)经过衰减后的光脉冲，成为一个一个的单光子序列，依此通过为“×”基的电光偏振控制器2-2，产生的叠加态；
4)处于叠加态的每个光子通过50/50的光分束器2-3(在本发明中为“+”基)后，将会以1/2概率透射和反射，这便是随机数的随机性本质。
5)在光分束器两个光路输出端各通过一个单光子探测模块(透射光电探测模块3-1、反射光电探测模块3-2)，探测从该路输出的光子数；
实际上，往往存在不止一个光子同时入射50/50光分束器2-3。因此，在光分束器的两个光子输出端通常均能检测到光子的输出。鉴于此，考虑到无论有多少个光子入射到光分束器，从光分束器反射端的输出光子数比透射端的输出光子数多，或者少，这两种情况也总是等概率的。本发明通过对两个输出端检测到的光电信号进行差分运算和比较处理。将透射或者反射的光子数差值的正负性产生高低电平序列；
6)将高低电平序列分别以高电平“1”和低电平“0”表示，送入FPGA单元5的I/O口；FPGA单元5通过脉冲电路的脉冲同步信号作为时钟信号，逐个读取光电信号处理电路4的高低电平序列，生成随机数“0”和“1”序列，作为随机数结果。
7)每次开机运行时，FPGA单元5先进行预校正工作：先采集数目足够大的“0”“1”序列，判断“0”和“1”的数目是否几乎相等。若两者数目相差较明显，则根据两者差值，按比例输出相应的校正电压信号，通过D/A转换模块7转换成相应的电压值施加在电光偏振控制器2-2两端进行微调，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值。并将该校正的电压值保存，下次开机时该电压值直接输出；
8)预校正结束后，照样如步骤1)-6)采集“0”和“1”序列，每采集8个“01”序列后，进行奇偶校验。若序列中有偶数个“1”，记为随机数“1”。反之若序列中有奇数个“1”，记为随机数“0”。将奇偶校验后生成最终的“0”“1”序列作为最终的随机数结果，通过USB接口发送到上位机6上。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述装置包括光脉冲发生模块(1)、光学器件(2)、透射光电探测模块(3-1)、反射光电探测模块(3-2)、光电信号处理模块(4)、FPGA单元(5)；
所述光脉冲发生模块(1)：用于产生光脉冲信号；
所述光学器件(2)：包括光衰减器(2-1)、电光偏振控制器(2-2)、50/50光分束器(2-3)，所述光衰减器(2-1)用于将光脉冲信号转换为离散的单光子序列，所述电光偏振控制器(2-2)用于对单光子序列产生的偏振态；所述50/50光分束器(2-3)用于对经过偏振态的光子序列以50％：50％的几率透射或者反射；
所述透射光电探测模块(3-1)：设置于50/50光分束器(2-3)的透射输出端，用于探测光子并输出透射光电信号ui1；
所述反射光电探测模块(3-2)：设置于50/50光分束器(2-3)的反射输出端，用于探测光子并输出反射光电信号ui2；
所述光电信号处理模块(4)：用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2的差值输出高低电平信号；
所述FPGA单元(5)：用于根据高低电平信号生成随机数“0”和“1”序列，通过USB总线形式发送至上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述FPGA单元(5)计算所生成的随机数序列中“0”和“1”的个数的差值，若其差值大于预设值，则输出校正电压数字信号，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值。
3.根据权利要求2所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：还包括D/A转换模块(7)，所述D/A转换模块(7)用于根据FPGA单元(5)输出的校正电压数字信号向电光偏振控制器(2-2)输出电压。
4.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述光脉冲发生模块(1)包括时钟电路、激光二极管、激光二极管驱动电路，所述时钟电路产生脉冲信号，驱动激光二极管根据脉冲信号发出光脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述电光偏振控制器(2-2)为两端被施加恒定电压的光偏振效应晶体。
6.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述透射光电探测模块(3-1)和反射光电探测模块(3-2)为相同结构，包括单光子前端检测电路和光电信号放大电路。
7.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述光电信号处理模块(4)包括前级模拟减法电路和后级比较电路，所述前级模拟减法电路用于根据透射光电信号ui1与反射光电信号ui2输出差值信号u0，所述后级比较电路用于根据差值信号u0的正或负输出高电平或者低电平。
8.根据权利要求1所述的基于光量子学的真随机数发生装置，其特征在于：所述FPGA单元(5)包括倍频模块(5-1)、边缘检测模块(5-2)、8位计数器(5-3)、奇偶校验器(5-4)、移位寄存器(5-5)、FIFO缓冲区(5-6)、USB接口(5-7)、控制逻辑单元(5-8)、校正电压输出模块(5-9)。
9.一种基于光量子学的真随机数发生方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)产生光脉冲；
2)将光脉冲转换为单光子序列；
3)将单光子序列经过光偏振处于叠加态的每个光子以50％：50％的几率透射或者反射；
4)分别检测透射或者反射的光子数，以其差值的正负性产生高低电平序列；
5)将所述高低电平序列生成随机数“0”和“1”序列，作为随机数结果。
10.根据权利要求9所述的基于光量子学的真随机数发生方法，其特征在于：所述方法还包括：6)采集随机数序列中“0”和“1”的个数的差值，若其差值大于预设值，则调整步骤3)中单光子序列的偏振态，直至随机数序列中“0”和“1”的个数的差值小于预设值。
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