CN109388374B - 一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法 - Google Patents

一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及真随机数发生器，具体为一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法。具体方案主要包括如下步骤：先测量分析未加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子噪声熵含量的比重；确定混沌系统的自然不变概率分布，基于该分布设定分帧阈值，保证每个阈值区间内的分布概率等分，二进制转换生成随机比特，输出采用广义哈希函数提取真随机序列。本发明所述的方法实现真空量子随机数产生速率的有效提高，为制备高熵高可靠性真随机数发生器提供新的手段。

Description

一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法
技术领域
本发明属于量子随机数发生器领域，具体为一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法。
背景技术
随机数的重要性很早便被人们熟知，它在通讯系统的密码学系统、计算机算法模拟、网络交易、电子银行、博彩业等领域有着关键性应用；密码学系统需要独一无二、不可复制的真随机数，基于物理熵源产生的物理真随机数为实现绝对安全的保密通讯奠定了重要的基础，近二十年来，基于量子不可克隆和测不准等基本量子力学原理提出的量子密钥分发(QKD)方案已取得了重要进展，世界上许多国家已在相关领域取得了丰硕的成果，建立了各自的量子保密通讯网络，在QKD方案中整个系统的信息论可证明性是通讯安全的基本保证，用于产生密钥的随机数其随机性也必须是信息论可证明的，否则整个系统的安全性证明便不再成立。最安全的方案是通讯双方各自拥有其本地的真随机数发生器，且产生的随机数不可预测、独一无二、不可复制、且不可被窃听方关联控制。量子随机数最大的特点是其随机性的信息论可证明性，量子随机数的随机性基于量子物理的不确定性本质；在实际的量子保密通讯过程中，安全的随机数除需要具备信息论可证明的随机性，还需具备防范攻击者的能力。因此，量子随机数发生器的研究和应用显的尤为重要。现在人们已经可以利用多种方法实现量子随机数的生成：(1)通过利用测量微弱光脉冲的光子数来产生量子随机数随机数[参见文献M.Wayne and P.Kwiat,Opt.Express,18,9351(2010)]，但是在这个方案中，没有考虑在保密通信过程中遭遇第三方攻击和窃听的可能，不具备防范攻击者的能力；(2)由真空散粒噪声实现量子随机数的生成[参见文献Y.Shen,L.Tian and H.X.Zou,Phys.Rev.A,81,063814(2010)]，由于该过程的量子性质，光子的反射/透射本质上是随机的，因此确保了所产生随机数的不可预测性，但是由于量子随机数的产生速率受限于市场上可提供的平衡零拍探测器的带宽，而导致量子随机比特生成速率低。在实际的量子密钥分发方案中，随着通信距离的不断加大，速率的不断提高，势必对量子随机数的产生速率提出更高的要求。理想情况下，量子随机数测量系统应仅探测熵源固有的量子噪声；而在实际中，由于噪声源和探测系统的不完美，会引入额外的电子学噪声，最坏情况下，这些电子学噪声可以被窃听者访问甚至控制，因此不可被信任。在量子随机数提取过程中，相比于电子学噪声，量子噪声应占主导地位，通过提高探测信号中量子噪声占比可有效提高量子随机比特生成速率。而利用混沌放大量子噪声产生量子随机数的方法显现出了独特的优势，混沌机制将量子噪声起伏放大到宏观探测水平，使量子噪声的测量不再受限于探测系统的有限带宽，有效提高量子噪声熵含量，使基于量子噪声的随机比特产生速率得到多个数量级的提高；同时，混沌系统输出宏观光强起伏源于量子噪声起伏，基于混沌机制对量子噪声熵含量的放大水平提取产生的随机比特其随机性是信息论可证明的。这样便可以实现真正的随机性可证明的高速随机序列产生。
发明内容
本发明为了解决现有的量子噪声的测量受限于探测系统的有限带宽的问题，提出了一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法，包括如下步骤：
(一)、建立测量混沌放大量子噪声的平衡零拍探测系统：半导体激光器发出的单模连续激光首先经过第一半波片，用于调控其偏振方向；随后单模连续激光通过第一偏振分束器，将激光分为两束，其中透射光为P光，P光是偏振方向在光路平面内的一束线偏振光，第一半波片和第一偏振分束器配合控制P光的光强；透射光再经过第二半波片改变偏振方向，之后入射到第二偏振分束器中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光。
由DFB半导体激光器出射的激光经过偏振控制器、环形器后，被光纤耦合器分成两束，其中一束激光又经可调衰减器后反馈到DFB半导体激光器腔内，通过调节衰减器强度可以形成宽带的混沌激光；这里偏振控制器的目的是控制光的偏振态，以使反馈光与激光的偏振平行，达到最佳的耦合；另一束激光作为输出经过光隔离器，光隔离器用以确保形成的混沌激光单向传输，避免后续器件的镜面反射光对激光器造成干扰，之后经过光纤滤波器；随后激光经过第三光纤准直器，将光纤激光转变成空间光场平行光，之后经过第三半波片入射到第一偏振分束器，其反射光经过第二半波片后通过第二偏振分束器，同样分成透射光和反射光两束光，即平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光。此时，经第二偏振分束器分束后的两个方向中，每个方向都有两个偏振方向相同的光，经干涉选模后分别耦合进第一光纤准直器和第二光纤准直器中，随后入射到的一对平衡光电探测器中，平衡光电探测器光电流信号的差信号比例于混沌系统放大的量子自发辐射噪声，经由第三平衡光电探测器放大到宏观水平，最终实现混沌系统放大的量子自发辐射噪声的平衡零拍探测。
(二)由半导体激光器和DFB激光器发出的激光在通过光学器件后，在第二偏振分束器之后发生相干耦合，最终可实现混沌放大量子噪声。调节衰减器的参数，首先研究未加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；再研究加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；量子自发辐射噪声熵含量比重最大时的衰减器参数作为最终参数。
(三)构建随机数提取装置，实现随机比特的产生：由平衡探测器将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差分后放大输出；由射频信号发生器产生的射频信号与光电流信号在混频器上发生混频，混频器输出的信号经低通滤波器滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器转化为数字信号，采用广义哈希函数提取真随机序列，实现随机比特的后处理，从而实现量子真随机数的产生。
上述的一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法，所述半导体激光器(1)采用中心波长为1550nm的LD-TC40半导体激光器；第一半波片(2)、第二半波片(4)、第三半波片(14)均采用波长范围1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片；第一光学偏振分束器(3)、第二光学偏振分束器(5)采用波长范围620-1600nm的50/50FBT-PBS054型偏振分束器；DFB半导体激光器(6)采用中心波长1550nm的eblana-YE3389型激光器；可调衰减器(10)采用中心波长为1550nm的Thorlabs-VOA50-APC型衰减器；光纤滤波器(12)采用中心波长1550.12nm、带宽0.5nm的BPF-1X1型滤波器；射频信号发生器(21)采用600MHz的HP8648A型射频信号发生器；平衡光电探测器采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡光电探测器；低通滤波器(22)采用550MHz的BLP-550+型低通滤波器。
本发明具有如下有益效果：
(1)提出混沌放大量子噪声随机数发生器的方案，定量分析混沌机制对系统中量子自发辐射噪声熵含量的放大，基于最终熵量提取真随机比特。通过该方案，混沌机制将量子噪声放大到宏观探测水平，使量子噪声的测量不再受限于探测系统的有限带宽；同时，基于混沌机制对量子噪声熵含量的放大提取产生的随机比特其随机性是信息论可证明的。兼并了量子和混沌随机数发生器其各自的优势，可实现真正的随机性可证明的高速随机序列产生。
(2)基于自然不变密度分布的等概率分帧实验中测量精度和阈值比较的精度是有限的，所以产生的原始随机比特必然会在一定程度上偏离均匀等概率分布，基于本方案，混沌系统中的真随机噪声熵含量已确定，本方案将采用广义哈希函数提取真随机数的方法对随机序列进行信息论可证明的数据后处理。
附图说明
图1是本发明的连接示意图：其中，实现为光连线，虚线为电连线。
图2是系统初态噪声分布确定示意图，即利用平衡零拍探测的方式测量初始稳态激光器的噪声起伏特性。
图3是经中心波长为1550.12nm的光纤滤波器后，用带宽43G的快速光电探测器探测混沌信号的频谱图。
图4是经低通滤波器BLP550+之前，用高1.6G带宽的平衡探测器探测混沌噪声的频谱图。
图5是经低通滤波器BLP550+之后，用高1.6G带宽的平衡探测器探测混沌噪声的频谱图。
图6是经低通滤波器BLP550+之前，由数字示波器采集的混沌放大噪声的时序和统计分布。
图1中：1-半导体激光器；2-第一半波片；3-第一光学偏振分束器；4-第二半波片；5-第二光学偏振分束器；；6-DFB半导体激光器；7-偏振控制器；8-环形器；9-光纤耦合器；10-衰减器；11-光隔离器；12-光纤滤波器；13-第三光纤准直器；14-第三半波片；15-第一光纤准直器；16-第一平衡光电探测器；17-第二光纤准直器；18-第二平衡光电探测器；19-第三平衡光电探测器；20-混频器；21-射频信号发生器；22-低通滤波器；23-模数转化器。
具体实施方式
一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法，包括如下步骤：
(一)、搭建测量混沌放大量子噪声的平衡零拍探测系统：由中心波长为1550nm的半导体激光器1发出的单模连续激光首先经过第一半波片2，用于调控其偏振方向；随后，单模连续激光通过第一偏振分束器3，将激光分为两束，其中透射光为P光，P光是偏振方向在光路平面内的一束线偏振光，第一半波片2和第一偏振分束器3配合控制P光的光强；透射光再经过第二半波片4改变偏振方向，之后入射到第二偏振分束器5中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光。
设置偏置电流，使中心波长为1550nm的DFB半导体激光器6稳定运行在阈值以上，由激光器出射的激光经过偏振控制器7、环形器8后，被50/50光纤耦合器9分成两束，其中一束光经可调衰减器10后反馈到DFB半导体激光器腔内，通过调节衰减器10强度可以形成宽带的混沌激光；这里偏振控制器的目的是控制光的偏振态，以使反馈光与激光的偏振平行，达到最佳的耦合；另一束光作为输出经过光隔离器11，用以确保形成的混沌光单向传输，避免后续器件的镜面反射光对激光器造成干扰，之后经过中心波长1550.12nm，带宽0.5nm的光纤滤波器12；随后混沌激光经过第三光纤准直器13，将光纤激光转变成空间光场平行光，之后经过第三半波片14，入射到第一偏振分束器3，其反射的S光经过第二半波片4后通过第二偏振分束器5，同样分成透射和反射两束光，即平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光。此时，经第二偏振分束器5分束后的两个方向中，每个方向都有两个偏振方向相同的光，经干涉选模后分别耦合进第一光纤准直器15和第二光纤准直器17中，随后入射到高量子效率且性能对称的带宽3KHz到1.6GHZ的一对平衡光电探测器，平衡光电探测器光电流信号的差信号比例于混沌系统放大的量子自发辐射噪声，经由第三平衡光电探测器19放大到宏观水平，最终实现混沌系统放大的量子自发辐射噪声的平衡零拍探测。
(二)由半导体激光器1和DFB半导体激光器6发出的激光在通过光学器件后，在第二偏振分束器5之后发生相干耦合，最终可实现混沌放大量子噪声。调节衰减器的参数，首先研究未加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；再研究加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；量子自发辐射噪声熵含量比重最大时的衰减器参数作为最终参数。混沌放大机制中电子学噪声与量子噪声均会被放大到宏观水平，而其中源于量子噪声的部分是真随机序列的产生源。
(三)构建随机数提取装置，实现随机比特的产生：由平衡光电探测器将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差分后放大输出；由射频信号发生器21产生的600MHz的射频信号与光电流信号在频率范围1MHz到2000MHz的混频器20上发生混频，混频器输出的信号经550MHz的低通滤波器22滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器23转化为数字信号，混沌系统放大初态中的自发辐射噪声到宏观起伏，并最终收敛到确定的自然不变概率分布，它是提取混沌随机数时的分帧参考标准，基于该分布设定分帧阈值，保证每个阈值区间内的分布概率等分，对数字信号进行统计分析和等概率分帧，确定随机数产生过程中模数转化阶段的采样量化比特编码，依据量子熵相对含量对原始数据采用广义哈希函数提取真随机序列，实现随机比特的后处理，从而实现量子真随机数的产生。
(四)通过混沌机制将量子噪声放大到宏观探测水平，使量子噪声的测量不再受限于探测系统的有限带宽；同时，基于混沌机制对量子噪声熵含量的放大提取产生的随机比特其随机性是信息论可证明的。兼并了量子和混沌随机数发生器其各自的优势，可实现真正的随机性可证明的高速随机序列产生。

Claims (1)

1.一种基于混沌放大量子噪声的随机数生成的方法，其特征在于包括如下步骤：
(一)、建立测量混沌放大量子噪声的平衡零拍探测系统：半导体激光器（1）发出的单模连续激光首先经过第一半波片（2），用于调控其偏振方向；随后，单模连续激光通过第一光学偏振分束器（3），第一光学偏振分束器（3）将激光分为两束，其中透射光经过第二半波片（4）改变偏振方向，之后入射到第二光学偏振分束器（5）中，分成透射光和反射光两束光；DFB半导体激光器（6）出射的激光经过偏振控制器（7）、环形器（8）后，被光纤耦合器（9）分成两束，其中一束激光经衰减器（10）后反馈到DFB半导体激光器腔内，通过调节衰减器强度可以形成宽带的混沌激光；另一束激光作为输出经过光隔离器（11），用以确保形成的混沌激光单向传输，之后经过光纤滤波器（12）；随后混沌激光经过光纤准直器（13），之后经过第三半波片（14）入射到第一光学偏振分束器（3），其反射光经过第二半波片（4）后通过第二光学偏振分束器（5），同样分成透射光和反射光两束光，此时，经第二光学偏振分束器（5）分束后的两个方向中，每个方向都有两个偏振方向相同的光，经干涉选模后分别耦合进第一光纤准直器（15）和第二光纤准直器（17）中，随后分别入射到第一平衡光电探测器（16）和第二平衡光电探测器（18），第一平衡光电探测器（16）和第二平衡光电探测器（18）的光电流信号在输入到第三平衡光电探测器（19）；
（二）、调节衰减器（10）的参数，首先研究未加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；再研究加反馈的混沌激光器初始稳态中电子学噪声与量子自发辐射噪声各自所占比例，确定量子自发辐射噪声熵含量的比重；量子自发辐射噪声熵含量比重最大时的衰减器（10）参数作为最终参数；
（三）、构建随机数提取装置，实现随机比特的产生：由射频信号发生器（21）产生的射频信号与光电流信号在混频器（20）上发生混频，混频器输出的信号经低通滤波器（22）滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器（23）转化为数字信号，采用广义哈希函数提取真随机序列，实现随机比特的后处理，从而实现量子真随机数的产生；
所述半导体激光器（1）采用中心波长为1550nm的LD-TC40半导体激光器；第一半波片（2）、第二半波片（4）、第三半波片（14）均采用波长范围1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片；第一光学偏振分束器（3）、第二光学偏振分束器（5）采用波长范围620-1600nm的50/50FBT-PBS054型偏振分束器；DFB半导体激光器（6）采用中心波长1550nm的eblana-YE3389型激光器；衰减器（10）采用中心波长为1550nm的Thorlabs-VOA50-APC型衰减器；光纤滤波器（12）采用中心波长1550.12nm、带宽0.5nm的BPF-1X1型滤波器；射频信号发生器（21）采用600MHz的HP8648A型射频信号发生器；平衡光电探测器采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡光电探测器；低通滤波器（22）采用550MHz的BLP-550+型低通滤波器。
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