CN108776582B - 一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，采用量子遂穿发生源产生原始随机序列，待量子遂穿发生源的遂穿概率稳定后，采用托普利兹‑哈希Toeplitz‑hashing方法对遂穿概率稳定后产生的原始随机序列进行降噪处理，得到最终的真随机数序列。本发明产生的随机数序列的元素之间相互独立，意味着随机数序列的有很好的随机性很好；同时，实现该方法的系统简单，成本低廉。

Description

一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法
技术领域
本发明涉及量子隧穿技术领域，具体涉及一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法。
背景技术
人类已经进入信息时代，保密通信和信息安全已然成为人们越来越关注的问题。无论是经典保密通信还是量子通信，随机序列的随机性决定了整个信息系统的安全,如果采用的随机数序列被人破解,密码系统就会被轻易攻破。我们希望达到的目标是，即使破译者拥有无限的计算能力，并且已知所有产生的序列，也不能预测系统下一个将要产生的随机数，这样的序列称为真随机数序列。就现在的认知而言，只有利用量子世界本质的非确定性，才能设计实现真随机数发生器，因而对量子随机数发生器的研究非常必要。
量子随机数发生器的结构如图1所示，由物理部分和数学部分两大部分组成。物理部分主要是选择合适的量子随机源，并以相应的数据采集手段对其随机信息进行提取。数学部分是指对采集的数据进行后处理得到最后的真随机数序列。
目前量子随机数发生器的方案主要在光学系统中实现，存在系统复杂，成本和能耗高的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，能够在无需光源的情况下，就可以产生真随机信息。
一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，采用量子遂穿发生源产生原始随机序列，待量子遂穿发生源的遂穿概率稳定后，采用托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法对遂穿概率稳定后产生的原始随机序列进行降噪处理，得到最终的真随机数序列。
较佳的，所述量子遂穿发生源采用单光子探测器，则采用该单光子探测器产生原始随机序列的方法包括如下步骤：
(1)将单光子探测器置于温度稳定的环境中，并保证其无光源引入；
(2)将单光子探测器开启，等待其制冷到-55℃；
(3)设置单光子探测器采样频率，使采样频率的范围为5MHz-50MHz，延迟设置为0s，脉冲宽度设置为100ns，死时间设置为0s，计数时间设置为1s，随后开启计数功能；
(4)调节偏压，使遂穿概率达到稳定值，则此时向外输出原始随机序列。
较佳的，所述单光子探测器的型号为SPD4。
较佳的，采用示波器、逻辑分析仪或者FPGA从单光子探测器采集所述原始随机序列，并输出至上位机进行降噪处理。
较佳的，托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法具体为：
(1)计算长度为n的原始随机序列的最小熵k，以给定的安全参数ε，决定输出长度m，m＝k-2log2ε，
Figure BDA0001653624350000021
其中，X表示随机变量，v为原始随机序列中的元素；Prob表示求概率；
(2)用一个长度为n+m-1的随机序列种子构建托普利兹Toeplitz矩阵；
(3)将原始随机序列与Toeplitz矩阵相乘，则得到最后的真随机序列。
较佳的，所述遂穿效率取为50％。
较佳的，隧穿发生源选用InGaAs-SPD或Si-SPD。
本发明具有如下有益效果：
本发明的基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，产生的随机数序列的元素之间相互独立，意味着随机数序列的有很好的随机性很好；同时，实现该方法的系统简单，成本低廉。
附图说明
图1为现有的量子随机数发生器的原理图。
图2为本发明的基于量子隧穿效应的真随机数发生器系统。
图3为本发明的实施例中基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法实现系统。
图4为本发明的基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法实现流程图。
图5是本发明实例中真随机序列的点图。
图6是本发明实例中真随机序列的自相关系数。
图7是本发明实例中真随机序列的Diehard检测结果。
图8是本发明实例中真随机序列的NIST检测结果。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的随机数序列产生方法为：采用量子遂穿发生源产生原始随机序列，对量子隧穿发生源进行一定的调控，使得隧穿的概率为稳定值，一般取50％。然后对隧穿的情况进行探测记录，如果探测到隧穿发生则记为1，否则记为0，以此得到真随机数序列。
本发明的真随机数发生器系统如图2和3所示，由量子隧穿发生源、数据采集单元、数据后处理单元组成。其中数据采集单元负责接收来自量子隧穿发生源的信号，并传输给数据后处理单元进行后处理，以减少经典噪声的影响。隧穿发生源可选用InGaAs-SPD、Si-SPD等。数据采集单元可选用示波器、逻辑分析仪、FPGA等。
如图4所示，本发明的真随机数序列产生方法流程如下：
1.原始随机序列的获取
(1)将单光子探测器(SPD4)置于环境温度稳定(26℃)的地方，并保证其无光源引入；
(2)连接单光子探测器与FPGA，使得FPGA的时钟与单光子探测器的采样频率一致，再将FPGA的输出连到电脑；
(3)将单光子探测器开启，等待其制冷到-55℃；
(4)设置单光子探测器采样频率，使采样频率的范围为5MHz-50MHz，本实施例中将单光子探测器采样频率设置为5MHz，延迟设置为0s，脉冲宽度设置为100ns，死时间设置为0s，计数时间设置为1s，随后开启计数功能；
(5)观察计数,调节偏压使遂穿概率达到稳定值，本实施例中计数达到2500000左右；
(6)用FPGA对输出信号进行采集，得到二进制序列，并传输给电脑；
2.使用Toeplitz-hasing extractor对数据进行后处理
(1)计算长度为n的原始序列的最小熵k，以给定的安全参数ε，决定输出长度m，m＝k-2log2ε，
Figure BDA0001653624350000041
X表示随机变量，v为原始随机序列中的元素；Prob表示求概率；
(2)用一个长度为n+m-1的随机序列种子构建Toeplitz矩阵；
(3)将原始序列与Toeplitz矩阵相乘得到最后的真随机序列。
从而得到最终的真随机数序列，为了验证该随机数序列随机性的好坏。我们对其绘制点图，计算自相关系数，进行了ENT、Diehard、NIST随机性检测，结果如下:
图5是本发明实例中真随机序列的点图，它是真随机数序列可视化的结果。该点图的绘制方法是:(1)抽取250000个连续的0和1按从左到右、从上到下排列成一个500×500的矩阵；(2)1用黑点表示，0用白点表示。从图中无法发现任何规则结构，意味着随机数序列的随机性很好。
图6是本发明实例中真随机序列的自相关系数。自相关系数与0接近，表明该随机数序列的元素之间相互独立。
下表是本发明实例中真随机序列的ENT检测结果。熵值为1；χ2为58.86％，在10％～90％的范围内；统计平均值为0.5，序列中0和1的分布非常均匀；蒙特卡罗计算的π值为3.141572014，在其精度范围内的误差为0％；自相关系数为-0.000021，与0非常接近。因此该测试通过，表明该真随机序列展现了极好的随机性。
Figure BDA0001653624350000051
图7是本发明实例中真随机序列的Diehard检测结果。各项的p值均在0.01～0.99的范围中，因此该检测通过，表明该真随机数序列具有很好的随机性。
图8是本发明实例中真随机序列的NIST检测结果。各项的p值均大于0.01，且每项的通过率都在98％～100％，因此该检测通过，表明该真随机数序列具有很好的随机性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，采用量子隧穿发生源产生原始随机序列，待量子隧穿发生源的隧穿概率稳定后，采用托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法对隧穿概率稳定后产生的原始随机序列进行降噪处理，得到最终的真随机数序列；
所述量子隧穿发生源采用单光子探测器，则采用该单光子探测器产生原始随机序列的方法包括如下步骤：
(1)将单光子探测器置于温度稳定的环境中，并保证其无光源引入；
(2)将单光子探测器开启，等待其制冷到-55℃；
(3)设置单光子探测器采样频率，使采样频率的范围为5MHz-50MHz，延迟设置为0s，脉冲宽度设置为100ns，死时间设置为0s，计数时间设置为1s，随后开启计数功能；
(4)调节偏压，使隧穿概率达到稳定值，则此时向外输出原始随机序列。
2.如权利要求1所述的一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，所述单光子探测器的型号为SPD4。
3.如权利要求1所述的一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，采用示波器、逻辑分析仪或者FPGA从单光子探测器采集所述原始随机序列，并输出至上位机进行降噪处理。
4.如权利要求1所述的一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法具体为：
(1)计算长度为n的原始随机序列的最小熵k，以给定的安全参数ε，决定输出长度m：
Figure FDA0002997853160000011
其中，X表示随机变量，v为原始随机序列中的元素；Prob表示求概率；
(2)用一个长度为n+m-1的随机序列种子构建托普利兹Toeplitz矩阵；
(3)将原始随机序列与Toeplitz矩阵相乘，则得到最后的真随机序列。
5.如权利要求1所述的一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，所述隧穿概率取为50％。
6.如权利要求1所述的一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，其特征在于，隧穿发生源选用InGaAs-SPD或Si-SPD。
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