CN109117117B - 一种自适应的源无关量子随机数发生器 - Google Patents

一种自适应的源无关量子随机数发生器 Download PDF

Info

Publication number
CN109117117B
CN109117117B CN201810693251.0A CN201810693251A CN109117117B CN 109117117 B CN109117117 B CN 109117117B CN 201810693251 A CN201810693251 A CN 201810693251A CN 109117117 B CN109117117 B CN 109117117B
Authority
CN
China
Prior art keywords
random number
detector
quantum
measurement basis
voltage generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810693251.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109117117A (zh
Inventor
马雄峰
马家骏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201810693251.0A priority Critical patent/CN109117117B/zh
Publication of CN109117117A publication Critical patent/CN109117117A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109117117B publication Critical patent/CN109117117B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
    • G06F7/588—Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明提供了一种自适应的源无关量子随机数发生器。该量子随机数发生器包括：光源、随机数源、电压产生器、电光调制器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和参数估计器。应用本发明可以提高量子随机数发生器的随机数产生率和系统的稳定性。

Description

一种自适应的源无关量子随机数发生器
技术领域
本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种自适应的源无关量子随机数发生器。
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、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。这些随机数是由一个确定性的算法和一个随机种子通过计算而产生的，一旦攻击者获取随机种子和随机算法，则攻击者就可以提前预测伪随机数的结果，从而对随机数应用领域的安全性产生威胁。因此，需要开发更加安全的不可预测的随机数产生方法。
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。现有技术中的量子随机数发生器，主要是利用量子力学中的波恩原理，即测量一个处于叠加态的量子系统，因此而得到的测量结果是不可确定性预知的。因此，通过上述量子随机数产生器产生的量子随机数的安全性是基于物理学的基本原理的，因此是信息论安全的。
现有技术中的量子随机数发生器一般可包括源和测量设备。其中，源无关的量子随机数产生器不需要用户或设备生产方对源进行校准，不仅节省了设备的开发和使用成本，也提高了系统的安全性。
现有技术中的源无关量子随机数产生器是基于量子力学中的海森堡测不准原理。在该源无关量子随机数产生器中，源(一般为一台激光器)发出一串量子态(信息编码在光的某一自由度，如偏振，相位等等)给测量设备，后者随机选择基矢Z＝{|0>，|1>}或X＝{|+>，|->}对量子态进行测量。随后，对X、Z基矢的测量进行数据处理，得到安全的量子随机数。
在上述的源无关量子随机数产生器中，是使用两个固定的测量基测量源发出的量子态。由于源的信息是未知的，因此使用两个测量基测量并不能获取源量子态的全部信息。因此，上述的源无关量子随机数产生器在得到初始随机数后，经估算得到其中的量子随机数比例可能会比较低，从而具有较低的随机数产生率。此外，由于源的信息是未知的，因此测量设备所选的两个固定测量基并不一定是产生量子随机数的最优基矢，因而不能达到最优的随机数产生率。尤其是当整个装置受到环境干扰时，源产生的量子态将随时间发生变化，但由于测量设备所使用的测量基的基矢是固定的，因此现有技术中的上述源无关量子随机数产生器的随机数产生率将会受到严重影响，大大降低随机数产生率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自适应的源无关量子随机数发生器，从而可以提高量子随机数发生器的随机数产生率和系统的稳定性。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种自适应的源无关量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、随机数源、电压产生器、电光调制器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和参数估计器；
所述光源的输出端与所述电光调制器的第一输入端连接；
所述随机数源的输出端与所述电压产生器的第一输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述电光调制器的第二输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述偏振分束器的输入端连接；
所述偏振分束器的两个输出端分别与所述第一探测器和第二探测器的输入端连接；
所述第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述参数估计器的输入端连接；
所述参数估计器的第一输出端与所述电压产生器的第二输入端连接，所述参数估计器的第二输出端输出量子随机数。
较佳的，所述光源，用于将量子态输出至所述电光调制器的第一输入端；
所述随机数源，用于随机产生一个具有3种取值的数字序列，并将所述数字序列发送给所述电压产生器；
所述电压产生器，用于根据参数估计器输出的参数估计结果，确定3组不同的测量基矢；根据接收到的数字序列中的数字从所述3组测量基矢中选择对应的测量基矢，并生成与所选择的测量基矢对应的电压；将所生成的电压施加到所述电光调制器上；
所述电光调制器，用于根据电压产生器所生成的电压使用由所述电压产生器所选择的测量基矢对所接收到的量子态进行测量，将测量后的量子态输出至所述偏振分束器的输入端；
所述偏振分束器，用于将所接收的量子态根据偏振方向分成两束光信号，分别输出至所述第一探测器和第二探测器的输入端；
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参数估计器的输入端；
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参数估计器的输入端；
所述参数估计器，用于根据接收到的第一电流信号和第二电流信号对所述光源输出的量子态进行参数估计，根据参数估计结果对所述第一电流信号和第二电流信号所表示的原始随机数进行随机数提取，输出量子随机数；还将参数估计结果输出至所述电压产生器，使得所述电压产生器根据该参数估计结果，重新调整或确定3组不同的测量基矢。
较佳的，当数字序列中的数字为0时，输出第一电压，所对应的测量基矢为M1；
当数字序列中的数字为1时，输出第二电压，所对应的测量基矢为M2；
当数字序列中的数字为2时，输出第三电压，所对应的测量基矢为M3。
较佳的，所述3组不同的测量基矢为X、Y、Z三组测量基矢；
其中，X测量基矢的两个本征态为：|+>和|->，Y测量基矢的两个本征态为：|+i>和|-i>，Z测量基矢的两个本征态为：|0>和|1>。
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，在本发明中的自适应的源无关量子随机数发生器中，由于随机数源可以随机产生一个具有3种取值的数字序列，电压产生器可以根据参数估计器输出的参数估计结果，确定3组不同的测量基矢，并从所述3组测量基矢中选择对应的测量基矢，使得所述电光调制器使用所选择的测量基矢对其所接收到的量子态进行测量，然后再通过偏振分束器将测量后的量子态根据偏振方向分成两束光信号，分别输出至所述第一探测器和第二探测器，随后通过参数估计器生成量子随机数，并根据接收到的第一电流信号和第二电流信号对所述光源输出的量子态进行参数估计，将参数估计结果输出至电压产生器，使得电压产生器可以根据该参数估计结果进行优化，重新调整或确定3组不同的测量基矢。与现有技术中的量子随机数发生器相比，本申请中的量子随机数发生器中使用了更多的测量基矢(即三种测量基矢)，因此可以对光源所输出的未知量子态进行更加细致的分析，从而提取出更多的随机数，提高量子随机数发生器的随机数产生率；而且，本申请中的量子随机数发生器还可根据参数估计器的参数估计结果，通过反馈来调节测量基矢的选择，优化所选择的测量基矢，使得所选择的测量基矢可以更接近于光源所输出的未知量子态，从而可以尽量获取光源所输出的量子态的信息，提高提升系统性能的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中的自适应的源无关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明白，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自适应的源无关量子随机数发生器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的自适应的源无关量子随机数发生器包括：光源11、随机数源12、电压产生器13、电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulator)14、偏振分束器15、第一探测器16、第二探测器17和参数估计器18；
所述光源的输出端与所述电光调制器的第一输入端连接；
所述随机数源的输出端与所述电压产生器的第一输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述电光调制器的第二输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述偏振分束器的输入端连接；
所述偏振分束器的两个输出端分别与所述第一探测器和第二探测器的输入端连接；
所述第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述参数估计器的输入端连接；
所述参数估计器的第一输出端与所述电压产生器的第二输入端连接，所述参数估计器的第二输出端输出量子随机数。
在上述的自适应的源无关量子随机数发生器中，所述光源用于将量子态输出至所述电光调制器的第一输入端。在本发明的技术方案中，上述的光源并不需要进行校准，因此该光源所输出的量子态可以认为是未知的。
另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述光源可以是具有稳定频率和相位的激光器。
所述随机数源，可以用于随机产生一个具有3种取值的数字序列，并将所述数字序列发送给所述电压产生器。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，该数字序列中的每个数字随机地取值，且每个数字的取值范围可以是{0，1，2}，如图1所示。此时，数字序列中的每个数字有3种可能的取值。
所述电压产生器，可以用于根据所述参数估计器输出的参数估计结果，确定3组不同的测量基矢；根据接收到的数字序列中的数字从所述3组测量基矢中选择对应的测量基矢，并生成与所选择的测量基矢对应的电压；将所生成的电压施加到所述电光调制器上。
例如，当数字序列中的数字为0时，输出第一电压，所对应的测量基矢为M1；当数字为1时，输出第二电压，所对应的测量基矢为M2；当数字为2时，输出第三电压，所对应的测量基矢为M3。
再例如，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述3组不同的测量基矢可以是X、Y、Z三组测量基矢。其中，X测量基矢的两个本征态为：|+>和|->，Y测量基矢的两个本征态为：|+i>和|-i>，Z测量基矢的两个本征态为：|0>和|1>。这三组测量基矢可以代表光束中的光子的不同偏振方向。
在本发明的技术方案中，电光调制器是利用某些电光晶体的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。例如，上述的电光效应可以导致电光调制器中的光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动，从而实现相位调制。
因此，在本发明的技术方案中，当电压产生器所生成的电压被施加到所述电光调制器上时，相当于是所述电光调制器根据电压产生器所生成的电压使用由所述电压产生器所选择的测量基矢(例如，测量基矢M1、M2或M3等)对所接收到的量子态进行测量。所以，即使光源所输出的量子态是未知的，在经过所述电光调制器的测量之后，也必然会塌缩到由所述电压产生器所选择的测量基矢的两个本征态中的一个本征态上。此时，所述电光调制器将测量后的量子态输出至所述偏振分束器的输入端。
所述偏振分束器，用于将所接收的量子态根据偏振方向分成两束光信号，分别输出至所述第一探测器和第二探测器的输入端。
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参数估计器的输入端。
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参数估计器的输入端。
所述参数估计器，用于根据接收到的第一电流信号和第二电流信号对所述光源输出的量子态进行参数估计，根据参数估计结果对所述第一电流信号和第二电流信号所表示的原始随机数进行随机数提取，输出量子随机数；还将参数估计结果输出至所述电压产生器，使得所述电压产生器可以根据该参数估计结果，重新调整或确定3组不同的测量基矢。例如，将之前所确定的3组不同的测量基矢更换或调整成另外的3组不同的测量基矢。
因此，通过上述的自适应的源无关量子随机数发生器，即可生成所需的量子随机数。
综上所述，在本发明的技术方案中，由于随机数源可以随机产生一个具有3种取值的数字序列，电压产生器可以根据参数估计器输出的参数估计结果，确定3组不同的测量基矢，并从所述3组测量基矢中选择对应的测量基矢，使得所述电光调制器使用所选择的测量基矢对其所接收到的量子态进行测量，然后再通过偏振分束器将测量后的量子态根据偏振方向分成两束光信号，分别输出至所述第一探测器和第二探测器，随后通过参数估计器生成量子随机数，并根据接收到的第一电流信号和第二电流信号对所述光源输出的量子态进行参数估计，将参数估计结果输出至电压产生器，使得电压产生器可以根据该参数估计结果进行优化，重新调整或确定3组不同的测量基矢。与现有技术中的量子随机数发生器相比，本申请中的量子随机数发生器中使用了更多的测量基矢(即三种测量基矢)，因此可以对光源所输出的未知量子态进行更加细致的分析，从而提取出更多的随机数，提高量子随机数发生器的随机数产生率；而且，本申请中的量子随机数发生器还可根据参数估计器的参数估计结果，通过反馈来调节测量基矢的选择，优化所选择的测量基矢，使得所选择的测量基矢可以更接近于光源所输出的未知量子态，从而可以尽量获取光源所输出的量子态的信息，提高提升系统性能的稳定性。
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 (5)

1.一种自适应的源无关量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：光源、随机数源、电压产生器、电光调制器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和参数估计器；
所述光源的输出端与所述电光调制器的第一输入端连接；
所述随机数源的输出端与所述电压产生器的第一输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述电光调制器的第二输入端连接；
所述电压产生器的输出端与所述偏振分束器的输入端连接；
所述偏振分束器的两个输出端分别与所述第一探测器和第二探测器的输入端连接；
所述第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述参数估计器的输入端连接；
所述参数估计器的第一输出端与所述电压产生器的第二输入端连接，所述参数估计器的第二输出端输出量子随机数。
2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：
所述光源，用于将量子态输出至所述电光调制器的第一输入端；
所述随机数源，用于随机产生一个具有3种取值的数字序列，并将所述数字序列发送给所述电压产生器；
所述电压产生器，用于根据参数估计器输出的参数估计结果，确定3组不同的测量基矢；根据接收到的数字序列中的数字从所述3组测量基矢中选择对应的测量基矢，并生成与所选择的测量基矢对应的电压；将所生成的电压施加到所述电光调制器上；
所述电光调制器，用于根据电压产生器所生成的电压使用由所述电压产生器所选择的测量基矢对所接收到的量子态进行测量，将测量后的量子态输出至所述偏振分束器的输入端；
所述偏振分束器，用于将所接收的量子态根据偏振方向分成两束光信号，分别输出至所述第一探测器和第二探测器的输入端；
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参数估计器的输入端；
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参数估计器的输入端；
所述参数估计器，用于根据接收到的第一电流信号和第二电流信号对所述光源输出的量子态进行参数估计，根据参数估计结果对所述第一电流信号和第二电流信号所表示的原始随机数进行随机数提取，输出量子随机数；还将参数估计结果输出至所述电压产生器，使得所述电压产生器根据该参数估计结果，重新调整或确定3组不同的测量基矢。
3.根据权利要求2所述的量子随机数发生器，其特征在于：
当数字序列中的数字为0时，输出第一电压，所对应的测量基矢为M1；
当数字序列中的数字为1时，输出第二电压，所对应的测量基矢为M2；
当数字序列中的数字为2时，输出第三电压，所对应的测量基矢为M3。
4.根据权利要求2所述的量子随机数发生器，其特征在于：
所述3组不同的测量基矢为X、Y、Z三组测量基矢；
其中，X测量基矢的两个本征态为：|+>和|->，Y测量基矢的两个本征态为：|+i>和|-i>，Z测量基矢的两个本征态为：|0>和|1>。
5.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。
CN201810693251.0A 2018-06-29 2018-06-29 一种自适应的源无关量子随机数发生器 Active CN109117117B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810693251.0A CN109117117B (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种自适应的源无关量子随机数发生器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810693251.0A CN109117117B (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种自适应的源无关量子随机数发生器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109117117A CN109117117A (zh) 2019-01-01
CN109117117B true CN109117117B (zh) 2022-12-23

Family

ID=64822079

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810693251.0A Active CN109117117B (zh) 2018-06-29 2018-06-29 一种自适应的源无关量子随机数发生器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109117117B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111522530B (zh) * 2019-02-03 2023-07-18 华为技术有限公司 量子随机数发生器及密钥生成系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238996A (zh) * 2014-09-04 2014-12-24 清华大学 源无关量子随机数的产生方法及装置
CN106325815A (zh) * 2016-10-17 2017-01-11 清华大学 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法
CN108182051A (zh) * 2018-01-26 2018-06-19 北京邮电大学 一种使用光开关的源无关量子随机数发生器方案

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238996A (zh) * 2014-09-04 2014-12-24 清华大学 源无关量子随机数的产生方法及装置
CN106325815A (zh) * 2016-10-17 2017-01-11 清华大学 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法
CN108182051A (zh) * 2018-01-26 2018-06-19 北京邮电大学 一种使用光开关的源无关量子随机数发生器方案

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Source-Independent Quantum Random Number Generation;Xiongfeng Ma等;《PHYSICAL REVIEW X》;20160225;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109117117A (zh) 2019-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11334322B2 (en) Amplifying, generating, or certifying randomness
Toomey et al. Mapping the dynamic complexity of a semiconductor laser with optical feedback using permutation entropy
JP5026508B2 (ja) 光学ベースの自己検証量子乱数発生器
Wang et al. Optical heterodyne generation of high-dimensional and broadband white chaos
US8554814B2 (en) Random signal generator using quantum noise
EP2013706B1 (en) Self-authenticating quantum random bit generators
Zhou et al. Randomness generation based on spontaneous emissions of lasers
CN109240645A (zh) 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法
Vallone et al. Testing Hardy’s nonlocality proof with genuine energy-time entanglement
Li et al. Enhancing optical-feedback-induced chaotic dynamics in semiconductor ring lasers via optical injection
JP4950924B2 (ja) カオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置とその方法と、そのプログラムと記録媒体
Yu et al. Experimental observation of coherent-information superadditivity in a dephrasure channel
CN109117117B (zh) 一种自适应的源无关量子随机数发生器
CN109104251A (zh) 一种数据传输方法、装置及系统
Wang et al. Real-time 14-Gbps physical random bit generator based on time-interleaved sampling of broadband white chaos
WO2020257124A1 (en) Amplifying, generating, or certifying randomness
Zibar et al. Highly-sensitive phase and frequency noise measurement technique using bayesian filtering
CN108462576B (zh) 本地主动相位补偿方法及系统
Zhang et al. Arbitrary coherent distributions in a programmable quantum walk
Baby et al. Optical chaos key generator for cryptosystems
Gupta et al. Dephasing of single-photon orbital angular momentum qudit states in fiber: Limits to correction via dynamical decoupling
Plöschner et al. Spatial, spectral, temporal and polarisation resolved state tomography of light
Chizhevsky Fast generation of random bits based on polarization noises in a semiconductor vertical-cavity laser
Subramani et al. Image encryption application and security analysis based on current modulated edge-emitting semiconductor lasers with pulse packages embedded in the microcontroller
D'Errico et al. Quantum applications of structured photons

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant