CN109791480A - 对质询的非确定性响应 - Google Patents

Abstract

一种用于对质询生成非确定性响应的设备，所述设备包括：对电输入呈现非确定性电输出响应的结构，所述设备被布置为通过促进所述结构的输出的电测量来促进所述结构的质询以生成所述非确定性响应，所述非确定性响应从所述测量可导出。

Description

对质询的非确定性响应

技术领域

本发明通常涉及使用对质询生成非确定性响应的设备和系统、以及对质询生成非确定性响应的方法，来对质询生成非确定性响应。

背景技术

随机数在现代系统中很重要。例如，随机数在计算机加密、彩票、科学建模和博彩游戏中的使用可以是很重要的。目前生成随机数的方法能够产生可预测的结果，这并不是人们所希望的。举例来说，使用一些方法生成随机数的问题就在于，实际上这些方法中使用的计算机是按照一种可预测的方式工作，其运行计算和算法，并基于数学运算产生答案。即使采用不仅仅依赖于计算机计算或算法的可替代的方法，可能依然存在再次导致一定程度上的可预测性的模式。

理想情况下，随机数生成器在给定应用中应该是尽可能非确定性的或是实用的。

无论是在本文中还是在别处所确认的，本发明示例性实施例的示例目的是至少部分地消除或减轻现有技术的至少一个缺陷，或至少对现有技术提供可替代的选择。

发明内容

根据本发明，提供了如所附权利要求中阐述的装置和方法。由从属权利要求和下面的描述，本发明的其他特征将变得明显。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对质询生成非确定性响应的设备，所述设备包括：对电输入呈现出非确定性电输出响应的结构，所述设备被布置为通过促进所述结构的输出的电测量来促进所述结构的质询以生成所述非确定性响应，所述非确定性响应从所述测量可导出。

由于两个或多个电输出可能是来自单个的电输入，所述非确定性电输出响应可具有概率分布，和/或所述非确定性电输出可以是非确定性的。

所述非确定性电输入响应：可能与结构状态从第一状态到第二状态的变化相关联；和/或可包括电输出从第一水平到第二阈值水平的变化、或到超过第二阈值水平的变化。

所述设备可被布置以促进所述质询，使得电输入值增大或减小，以触发所述非确定性电输出响应，可选地，所述电输入值以恒定速率增大或减小。

所述设备可被布置以促进所述电测量，使得对触发所述非确定性电输出响应所用的时间进行测量，所述非确定性响应从该时间测量可导出。

所述设备可被布置以促进所述质询，使得重复输入电输入值，以触发所述非确定性电输出响应。

由于所述非确定性响应是、或基于：电输入触发所述非确定性电输出响应所用的时间；和/或触发所述非确定性电输出响应的输入值；和/或触发所述非确定性电输出响应的输入的数量，因此所述非确定性响应从所述测量可导出。

所述非确定性电输出响应可具有概率分布，并且所述设备被布置以促进相对于所述概率分布而被调整的质询。

所述结构可呈现出负微分电阻。

所述结构可呈现出量子力学限制，并且所述结构可被布置为在受到电测量的质询时提供独特响应，所述独特响应与所述结构的限定所述量子力学限制的原子组成相关联。

所述设备可被布置以促进相对于该独特响应进行调整的质询。

所述设备可包括多个结构，所述设备被布置以促进对多个结构中的单独结构、或与其他结构电结合的结构的选择性的质询。

所述设备可被布置以促进相对于独特响应和/或概率分布而被调整的质询，所述质询与多个结构中的一个结构相关联，或者与多个结构中以电结合方式连接或可连接的一些结构相关联。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对质询生成非确定性响应的系统，所述系统包括用于质询第二设备的第一设备，所述第二设备包括：对电输入呈现非确定性电输出响应的结构，所述第二设备被布置为通过促进所述结构的输出的电测量来促进所述结构的质询以生成非确定性响应，所述第一设备被连接到或可连接到所述第二设备以便执行测量，所述非确定性响应从所述电测量可导出。

根据本发明的第三方面，提供了一种对质询生成非确定性响应的方法，所述方法包括：通过对结构的输出进行电测量来质询结构以生成非确定性响应，所述非确定性响应从所述电测量可导出；其中，所述结构对电输入呈现出非确定性电输出响应。

为避免任何疑问，关于本发明的任何一个方面描述的一个或多个特征可以与本发明的另一个方面的任何一个或多个特征组合使用或代替本发明的另一个方面的任何一个或多个特征，除非本领域技术人员通过阅读本公开内容将理解这样的替代或组合是互相排斥的。例如，以及更具体地，可以容易地使用关于本发明的装置方面描述的任何特征来代替关于本发明的系统或方法方面描述的任何特征或与其结合。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出可以如何实施本发明的实施例，现在将通过示例的方式参考所附示意图，其中：

图1示意性地描绘了根据示例实施例的用于对质询生成非确定性响应的装置；

图2为示意性地描绘了根据示例实施例的使用图1的设备对多个质询的不同非确定性响应的曲线图；

图3为示意性地描绘了针对图2的非确定性响应的概率分布的曲线图；

图4为示意性地描绘了根据示例实施例的图1的装置随时间变化的非确定性响应的标绘图；

图5示意性地描绘了根据示例实施例的用于确定非确定性响应的装置；

图6示意性地描绘了根据本发明的另一示例实施例的用于确定非确定性响应的装置；

图7为示意性地描绘了根据示例实施例的针对两个不同结构的非确定性响应的概率分布的曲线图；

图8为示意性地描绘了根据另一示例实施例的针对两个不同结构的非确定性响应的概率分布的曲线图；

图9示意性地描绘了根据示例实施例的多个结构如何相对于彼此是可以电连接的，以便获得针对不同结构或结构的组合的非确定性响应的不同概率分布；

图10示意性地描绘了根据另一示例实施例的多个结构如何相对于彼此是可以电连接的，以便获得针对不同结构或结构的组合的非确定性响应的不同概率分布；

图11示意性地描绘了根据另一示例实施例的多个结构如何相对于彼此是可以电连接的，以便获得针对不同结构或结构的组合的非确定性响应的不同概率分布；

图12示意性地描绘了单个单元的形式的图11中的装置；

图13示意性地描绘了多个图12单元的串联使用；

图14示意性地描绘了根据示例实施例的一种系统，该系统包括第一和第二设备；和

图15示意性地描绘了根据示例实施例的一般方法。

具体实施方式

如上所述，理想状态下，随机数生成器(或者换言之，用于生成对质询的非确定性响应的设备)在给定的应用中应该尽可能地是非确定性的或实用的。这可能意味着在给定了时间、资源等限制的情况下，随机或非确定性响应是足够不可预测的。已经认识到，这可以通过使具体的现实世界结构作为非确定性响应生成中的输入来实现。具体地，已经认识到可以使用对电输入呈现出非确定性电输出响应的结构。也就是说，可以使用对于单个特定输入没有单个明确且可预测(具有绝对确定性)的输出的结构。反而是，由于两个或多个电输出可能来自单个电输入，所以非确定性电输出是非确定性的。因此，该设备在该输入值或输入值的范围内是不稳定的。换言之，某个输出只是有可能会起因于某个输入。因此，整个装置的非确定性响应可以从(其包括的)结构的非确定性电输出响应中导出。

非确定性电输出可能与结构中的状态或结构的状态从第一状态到第二状态的变化相关联；和/或包括电输出从第一水平到(或超过)第二(阈值)水平的变化。例如，以及考虑到不稳定性和相关概率，该结构可能在特定电输入处切换或跳转到或更多或更少的电阻或导电状态。

可用于满足上述标准的有用结构是呈现出负微分电阻的结构。已知这种装置是固有地不稳定的，因为在某些选定的电输入值(通常是电流，但有时也是电压)处，可能存在多个可能的输出值(通常是电压，但有时也是电流)。也就是说，该结构在这样的输入值处呈现出不稳定性，使得仅存在在不同的电阻/导电状态之间的结构变化的可能性，并且不可能确切地知道输入‘X’将肯定会产生输出‘Y’。这种结构也是有用的，因为它们通常是容易获得的，例如共振隧穿二极管(RTD)、耿氏二极管、忆阻器等形式。当然，呈现出负微分电阻的结构不是必需的。任何的如上所述主要呈现出电不稳定性的结构都是有用的。

已经进一步认识到，额外呈现出量子力学限制的结构可能具有进一步的益处。该量子力学性质的实现通常允许设备或其结构小并且功率低。根据呈现量子力学限制的设备或结构的本质，该设备或结构不需要是专用的外部设备或结构，即，该设备或结构可以是具有其他功能的、与非确定性生成相关(例如使用)或完全独立于非确定性生成的设备或结构的组成部分(例如，在系统的芯片上)。

然而，或许最重要的是，结构的量子力学性质允许对电输入的响应特别独特且尖锐或明显(例如尖峰或窄峰)。例如，这样的结构可能在I-V特性中呈现出尖锐或明显的峰值，并且在实际实施中，上述的不稳定性可能就存在于这样的峰值附近和/或周围，更明显，或更有用。并且，这种特性对结构的原子组成极其敏感，以至于额外呈现出量子力学限制的每个结构的响应可能被认为是独特的。这意味着名义上可能被认为是相同的两个结构实际上可能呈现出微妙且独特的不同电输出。这些不同可用于生成非确定性响应的不同分布。

更详细地，当所测量的量子力学效应是光谱或多条光谱(例如多于一条的光谱、或多个测量结果或多于一条的不同光谱的组合或卷积)时，额外呈现出量子力学限制的结构的响应的独特性质可能特别是这种情况，或者特别明显和可用的。例如，呈现出量子力学限制的设备或结构，特别是在两个或多个维度上，可以在呈现限制的设备(或其组成部分)的结构中提供电子或空穴的具体限制能级的独特可测量光谱。通常，结构的该部分可以是阱、线、层、环、点或其他结构形式的纳米结构(或类似物)，其具有等于或低于与系统中电子的德布罗意波长对应的长度尺度的空间维度。这种纳米结构(或类似物)的物理性质包括其原子排布、尺寸和成分，并且根据用于系统的薛定谔方程的解决方案，穿过该结构的场(例如应变、磁和电)的确切形式都可能对电荷载流子受限的能量产生影响。如可以理解的，实际上不可能制造出共享所有这些特性(并且可能更多)的两个结构，因此，没有两个结构是完全相同的。因此，限制的性质将是不同的，并且因此由于这种限制，没有两个可测量的量子力学效应将会是相同的。因此，这种结构的可测量的量子力学效应可用于为该装置或其结构提供非确定性响应的独特的设置或分布。

现在将结合附图仅通过示例的方式描述本发明的基本原理和本发明的示例实施方式。附图未按任何特定比例绘制，并且仅提供作为用于理解本发明的基本原理和/或其应用的图示辅助。

图1示意性地描绘了用于生成对质询的非确定性响应的设备。该设备包括可变电流源2和电压测量设备4。可变电流源用于向结构6提供选择性的(例如，可控制的)输入，该结构6呈现出对电输入的不确定电输出响应。在这种情况下，该结构是谐振隧穿二极管6，其呈现出负微分电阻和同样的量子力学限制。当电流被输入2到二极管6时，电压测量设备4测量该二极管6两端的电压(即二极管的输出)。

图2是示意性地描绘了用于图1的二极管的电流电压(1-V)特性10,12的曲线图。可以看出，对于特性10的第一区域，输入电流值导致单个输出电压值。也就是说，该结构在该区域中是电稳定的。对于特性12的第二区域，输入电流值导致不确定的响应。也就是说，在该区域12中，该结构是电不稳定的。

区域12没有示出对结构的单个输入(即，结构的质询)的输入-输出关系。反而是，区域12显示了相同或不同值的多个输入的输入-输出关系。换言之，该区域12示出了对于在该区域12中的输入，存在结构将在显著不同的电阻的状态之间切换或跳跃的可能性。已经可以理解的是，在区域12内不可能确切地知道什么输出将是由什么输入导致的。因此，结构的响应是非确定性的，并且该响应可用于生成例如与该响应相关联的随机数。

存在与图2的切换相关联的概率分布，该分布在图3中示出。图3示出了输入电流导致输出电压的切换的计数数量(次数)20，该切换对应于结构(二极管)的电阻状态的变化。计数可以限定或拟合特定曲线或分布22，例如高斯分布或洛伦兹分布。

图4是随着时间的推移，来自用于产生图2和3中的输出的设备的输出30的曲线图。参见图4，来自设备的输出之间不存在(时间上)相关性，说明输出对外部因素(例如温度漂移等)具有独立性。

图3中的曲线图已经暗示了在实际环境中可以生成非确定性响应的不同方式。例如，非确定性响应从结构的电输出的测量中可导出，因为非确定性响应是或基于：电输入触发非确定性电输出响应所用的时间；和/或触发非确定性电输出响应的输入值；和/或触发非确定性电输出响应的输入的数量。例如，可以按一定的速率增加或减少输入，直到触发非确定性电输出响应为止，或者可以以相同的水平或值重复进行输入，直到触发非确定性电输出响应为止。

存在用于转换来自随机数/非确定性响应生成器的输出的概率分布函数的已知算法，因为它们在随机数生成和处理领域中是已知的，这里不再详细讨论。然而，并且作为一个简单的例子，为了实现从平坦到正态分布的这种转换，需要以下参数：所需的高斯输出的平均值(M)；高斯(S)的标准偏差；以及随机数/非确定性响应生成器产生的平坦输出的范围(例如，数字从0到1均匀分布)。这些都是可以为所讨论的应用而选择的常量，其然后可以与非确定性响应发生器的具有概率分布函数的单发输出(例如，离散输出)一起使用。在相反的情况下，对于产生如图3所示的高斯分布的设备，输出M和S是可以测量和记录的常量，然后反过来使用已知的简单关系从高斯产生平坦输出。可能需要在制造设备的工厂或测试设备的设施中测量一定数量的输出，以便评估每台设备的常量M和S，或者这些常量对一批设备可能是已知的。如上所述，每个结构可能(并且非常可能)将具有其自己独特的响应特性，并因此具有特定于所讨论的结构的常量M和S(或类似)。利用多种结构，可以获得或使用多种不同的常量M和S(或类似)或类似量。这将在下面进行更详细地讨论。

上面已经介绍了在生成非确定性响应方面图2至4的输出的实际实施。现在给出更详细地描述。

图5示出了在一个示例中，非确定性响应是如何建立在定时的基础上的。信号生成器40提供以恒定速率斜升的输入电流。将输入提供给结构42，结构42提供对这种电输入的非确定性电输出响应，这种情况下的结构为如上所述的谐振隧穿二极管。经由电阻器46将二极管42的输出提供给计数器44的重置输入。脉冲生成器48向计数器44提供脉冲输入。计数器提供脉冲输出50。

在使用中，输入电流的渐变将随着时间的推移导致二极管42切换状态，例如，如上所述的在电阻方面。该时间是非确定性的，例如，如关于图2和3所示和所描述的。也就是说，切换有可能将通过二极管42的特性的不稳定区域发生在电流斜升过程中的某些非确定性时间点处。然后可以使用二极管42的切换状态和适当的输出来重置计数器44，当然，计数器44将对计数器44的输出50产生影响。将要重置的时间、或先前已经重置的时间等(取决于实现细节)可以用作数字形式的非确定性响应，例如，到重置计数器44的脉冲的数量或重置脉冲器44之后的脉冲的数量。可替代地，重置计数器44可能以某种其他方式对输出50产生影响，这将导致由于一个或多个其他原因而使输出成为非确定性的。

在未示出的另一示例中，可以使用类似的电路来斜升(或斜降)输入电流，并且非确定性响应可以是二极管状态下切换点处的电流或者是由切换点处的电流而导出的(例如，以某种方式的归一化)。也就是说，在该示例中，可以不使用基于时间的非确定性响应。

图6显示了如何可以生成非确定性响应的另一个示例。在该示例中，电流源60重复质询结构62，结构62向这样的电输入提供非确定性电输出响应，在这种情况下结构为如上所述的谐振隧穿二极管。可以经由晶体管64的切换操作来实现重复。二极管62将以非确定的方式来切换状态，如上所述，即，在电不稳定的区域中，二极管有时会在特定输入值处切换状态，而有时在相同的输入值处不会切换状态。然后，二极管62的输出将用于经由电阻器68向移位寄存器66的串行输入提供高或低的输出(取决于二极管62的输出状态)。脉冲生成器70可用于向晶体管64和移位寄存器66提供脉冲输入，以使晶体管64的开关跳动，并向寄存器66提供脉冲驱动信号/输入，以用于提供脉冲输出流72。

总的来说，脉冲输出流72由寄存器66提供(例如以二进制流的形式)。流72的性质将取决于通过二极管62对寄存器66的高/低输入，并将因此在本质上是非确定性的。流72可能以其连续整体的形式来使用，例如在需要非确定性输出流的时间段上使用。在另一个示例中，可以对流进行采样或分段以获得或导出一个或多个非确定性响应。这可以通过处理流72、或驱动寄存器66、或通过控制晶体管64、或以适合实际应用的任何方式来实现。

在图6的示例中，结构的状态中的多个切换用于生成输出流中的非确定性变化。当然，只有单个状态的切换可能足以从整个设备或电路中产生非确定性输出。状态的多个切换可便于容易生成连续或更长的输出流。在另一个示例中，改变二极管状态所需的对二极管的输入的数量可能是非确定性响应。在任何情况下，在所有这些相关示例中，对结构的输入的数量确定了如何生成非确定性响应(例如，与其他示例一样，与时间或输入值相对)。

与本文的任何示例一样，在一些情况下预先了解电不稳定区域的知识可能是有用的。例如，如果结构的状态在14.5秒内不曾发生任何变化，那么缓慢斜升电流15秒可能没有必要或是没有用的。将电流更快地、或者从更接近于不稳定区域或在不稳定区域内的水平进行斜升，可能会更好。类似地，在结构没有呈现出电不稳定性的区域中提供重复输入电流可能是没有意义的。因此，在已知的要发生不稳定性的区域中提供输入电流可能更有用。换句话说，相对于不稳定区域(例如，状态发生切换的概率分布)调整输入可能是非常有用的。可以在制造或测试设备期间或在校准或测试阶段获得预先知识，就像可以确定上述统计常量M和S时一样。

如上所述，除电不稳定性之外还呈现出量子力学限制的结构可能对电输入提供特别独特的响应，并因此相对于那些独特响应的输入调整可能更容易和/或在生成非确定性响应时提供更大的控制或精确度。例如，可以在这种结构的输出特性中围绕非常明确的峰值或谷值对输入进行非常细微地调整。同样，非常相似的结构、或甚至每天都被认为“相同”的结构(例如二极管阵列中的二极管)可能具有微妙但可区分的不同输出，这些输出可用于以不同方式生成非确定性响应(例如具有不同的概率分布)。

图7显示了不同结构如何可以具有不同的输出特性，包括根据它们对电输入的不确定电输出响应的不同概率分布。例如，第一谐振隧穿二极管具有切换概率分布，其在0.75mA周围呈现出峰值80。然而，在该峰值80的附近存在概率的扩展82，在该峰值处，发生切换的输入电流采用高斯分布形式。第二谐振隧穿二极管具有切换概率分布，其在2.75mA周围呈现峰值84。然而，再次存在概率的扩展86，随着时间的推移，在该峰值86的附近将采用高斯分布形式。实际上，可以注意到扩展86不是完整的高斯分布。这是因为，对于该第二极管，已经提示(到目前为止)没有足够数量的切换事件来证明完整的高斯分布。这本身就很有趣，并且实际上突出了输出的非确定性性质。如果仅获得少量输出，则它们将落入并开始限定概率分布。然而，对于任何一个事件，都不能确定地预测输出，并且输出形式的整体理解只能由许多输出事件随着时间的推移而确定。即使有很多输出，也只能以一定的概率预测输出，即，不能绝对地确定。

图8描绘了两个不同二极管的类似差分输出，但这次依据电流发生切换的计数。尽管这两个二极管都表现出比图7所示的情况以更接近峰值电流的值的切换，但是从图8中依然可以非常清楚地看出，每个不同二极管的概率分布90，92都是迥然不同的。

前面段落以及图7和8的关键在于不同的结构提供不同的概率分布。因此，如果可以容易且快速地使用多个结构，则可以容易且快速地利用不同的概率分布或关于这种分布的调整。

图9至13示出了如何提供和使用这样的结构。

图9示意性地描绘了根据示例实施例的一种设备。该设备包括可变电流源100，用于为多个N总谐振隧穿二极管102供电。提供电压测量装置104以测量2至N个二极管102的不同串联组合的组合输出。开关装置(switching arrangement)106(在这种情况下是多路复用器)用于选择性地将所需组合或数量的N个二极管102串联连接在一起。可以通过适当的输入108(例如从控制器等(未示出))使开关装置106实现这些电气组合。

通过适当控制开关装置106，不同数量的N个二极管102可以串联地电连接。可以质询每个不同的组合，并且可以以上述方式获得来自组合的不同的非确定性响应(或相关概率分布)。因此，该设备提供了一种容易提供大量不同概率分布的方式。

可以预先建立分布，例如在制造、测试、校准或设置期间。然后可以存储并在使用和需要时查找与每个二极管/二极管组合的那些分布相关的指示值或日期。

在相关但不同的示例中，出于任何原因，可能无法预先获得不同概率分布的知识。在某些情况下，就非确定性输出而言，这种不确定性可能是有利的。例如，对于已知的分布，某个输出具有一定的发生概率，并且用户/应用可能具有该知识。在不知道分布的情况下，甚至不可能确定特定输出发生的概率。

使用关于图9所示和描述的装置可用的不同概率分布的数量，通常随着串联布置中所使用的结构的数量的增加而线性增加。在某些情况下这可能是适当的，例如，如果串联连接或可连接的设备的数量为所讨论的应用提供所需数量的概率分布。所期望的数量可能仅仅是足以具有一定数量或组合的概率分布以供使用，或者相反地，使得无论出于何种原因(例如，增加设备输出的整体的不确定性)都难以确定设备可用的概率分布。

为了极大地增加可用的概率分布的数量，可能希望该装置包括处于布置中的结构，由此该布置中的这种结构的数量的增加导致可用概率分布数量的类指数增加。也就是说，结构数量和可用概率分布数量之间存在指数关系。

图10示意性地示出了根据示例实施例的一种设备。提供可变电流源110，以及主要如上所述的一般描绘和定位的电压测量设备112。在该实施例中，N个谐振隧穿二极管114连接到N个相应开关116，N个开关可经由控制器或类似物(未示出)通过适当的输入118进行控制。连接或可连接到那些N个二极管114的是K个谐振隧穿二极管120，其中每个谐振隧穿二极管120连接到K个开关122中的相应开关。K个开关122可再次通过控制器或类似物(现在示出)由相应的输入124进行控制。

可选地，该装置可包括附加的二极管126，或者用于电流限制目的，或者如果(无论任何原因)不需要使用N和/或K个二极管114,120的阵列或布置，则提供单个概率分布。

利用图10中所示的布置，通过选择性操作开关116,122的可能测量的数量，或者换言之，可能的或可用的概率分布的数量等于2^N+K。因此，获得了期望的指数关系。已经可以理解的是，仅需要相对少量的二极管/开关来实现非常大量的可能的概率分布。

通过并联连接多个结构以形成单元，并然后串联或并联连接多个这样的单元，可以进一步提高概率分布的指数性质。例如，图11示出了N个谐振隧穿二极管130的每一个如何可以连接到由N个输入134控制的N个相应开关132中的一个开关(例如，在多路复用器或类似物中)。如果(无论出于任何原因)不需要使用开关装置132和相应的二极管130，则可以提供可选的二极管136以提供单个概率分布。图11在许多方面表示图10的一部分。图11的示例中可能的结构组合的数量是2^N。即使是单独的，也可以容易地获得大量的概率分布。然而，这个数字可以很容易地增加，现在将对此进行描述。

图12示出了图11的设备可以被称为或被限定为单元140。这可能是出于解释的目的，和/出于构造的目的。也就是说，“单元”可能是解释结构的简单方法，和/或结构可以以这种单元形式制造以便于复制。图13示出了多个这些单元如何能够连同可变电流源152一起进行串联连接。也一般性地示出被提供和定位的电压测量设备154，用于测量一个或多个单元150两端的输出。由于上述原因，还可以提供限流二极管156或提供二极管(其提供单一概率分布)。如果串联关系中的单元150的数量被取为M，则通过选择性操作对形成单元150的开关进行的可能测量的数量等于2^N×M。利用这种关系或类似关系，可以用相对少量的结构获得潜在大量可能的概率分布。

在任何示例中，将注意到仅对输出测量设备进行了一般性地描绘，并且其类型、性质和位置(包括其物理位置和/或其用于输出测量的电连接的位置)可以被修改以适于应用。

上面已经描述了在一些实施例中，从呈现出不稳定性的结构(例如，表现出负微分电阻的结构)可导出的响应如何是电流-电压频谱，或者是如何从这样的频谱可导出。当然，可以使用不同的光谱，这取决于结构被电质询的方式或由其测量的输出，例如电压、电流、电容、电阻、忆阻或其积分或衍生物。在某些情况下，频谱可能实际上不是必需的，并且设备将受到特定值或水平的质询。只要该结构对输入呈现出非确定性的输出，该结构就可以用在实施例中。

上面讨论的结构的响应(特别是那些其响应是基于量子力学限制的结构)通常由结构的原子结构确定。结构本身(即其原子结构)能够例如被有意地更改，以便有意地更改从电质询该结构所获得的响应。这可以通过加热或电偏置来实现，所述加热或电偏置的水平高于对所讨论的装置特定的某些水平。电偏置可以为每个结构、多个结构或所有结构提供加热或专用加热器。例如，可以物理地更改结构以改变电不稳定区域中的输入-输出关系的概率分布。这可能对非确定性响应生成原因、或者以某种方式简单地重置结构或设备有用。该结构可以被更改到结构设备被损坏或毁坏的程度，或者至少被损坏或毁坏到不能再获得非确定性响应的程度或者不能再获得所需程度(例如具有期望的概率分布)的非确定性响应的程度。

在上面的示例中，包括对电输入呈现出非确定性响应的结构的装置也被描述为与对来自这些结构的输出进行测量的设备同样的设备。然而，图14示出了在所有实施例中不一定都是这种情况。在另一个示例中，如图14所示，可能存在对本发明的实施例更符合系统的方法。该系统可以包括用于质询第二设备162的第一设备160。第二装置162可以包括如上所述对电输入呈现出非确定性响应的结构。第二设备162可以简单地促进那些结构的质询，并且可能不必直接质询或根本不质询那些结构。也就是说，第二设备162可以包括允许第一设备160的连接或类似连接的一个或多个电通信器、连接、连接器或开关，第一设备160是实际上质询第二设备162的结构的设备。例如，第一设备160可以设置有电源或电子设备或类似物的测量。

当然，图14的系统的各种组合都是可能的。例如，第一设备160可以具有更多或更少的部件，并且第二设备162包括更多或更少的部件。第二设备162可以包括用于电组合或选择性地连接一个或多个不同结构的多个开关等，并且第一设备160可以提供电源和测量电子设备。或者，第一设备160还可以提供用于连接第二设备162中提供的结构所需的开关。第一设备160可以实现结构的更改，以改变那些结构在受到质询时提供的概率分布。

通常，除了结构或对电输入呈现出非确定性响应的结构之外，系统的一个或多个设备、或者如果单独使用的设备，还需要某种电源(例如可变)和某种测量电子设备。当然，这种设备或系统可以提供附加的特征和/或功能。可变电源可以来自振荡源，例如时钟/振荡器信号，而不是需要单独的专用实体。

对结构或多个结构进行质询的设备、或该设备的组成部分、或系统的组成部分可具有其他功能。特别地，该功能可以取决于例如使用计算机加密、彩票、科学建模或博彩游戏中所使用的响应而生成的非确定性响应。

图15是以更一般的形式描述上述方法的流程图。该方法包括生成对质询的非确定性响应。更详细地，该方法包括质询结构以生成非确定性响应170。该结构呈现出对电输入的非确定性电输出响应。通过对结构172的输出进行电测量来实现该生成。然后可以从电测量174中导出非确定性响应。这可以包括非确定性响应是电测量，或者使用或处理该测量以按照所讨论的应用所需的形式导出非确定性响应。

上面已经描述了如何生成和使用非确定性响应。响应的数量可能很大，这是因为非确定性响应是不可预测的，并且可以按照许多不同的方式(计数、时间、输入值等)进行使用。本发明的方法还可以或可替代地包括使用非确定性响应或使用生成的非确定性响应作为软件伪随机数(或准随机数)发生器的种子。这可能是放大任何一个设备或结构可用的非确定性响应、或准非确定性响应或伪非确定性响应的数量的非常方便的方式。

在某些应用或实施中，“质询”一词可能具有非常具体的含义，例如向设备或结构发出质询以查看其是否按照预期(或其他方式)的方式进行响应，例如以确定是否该设备是可信的(或其他)。然而，在上述实施例中，更广泛地使用了“质询”一词，例如相当于向设备或其结构发出请求、或读取、或查询以获得非确定性响应。因此，至少在一些实施例中，这些术语可以互换使用。

在某些情况下，“非确定性”和“随机”可以互换使用。然而，对真正“随机”的事物的某些数学理解或解释(即与“随机”的更为日常的理解相反)可能是如此具体，以至于与上述一些非确定性设备和方法或由其导出的结果相矛盾。因此，本文更普遍地使用“非确定性”作为更通用的术语。

重要的是从上面注意到，如上面所清楚公开的，非确定性响应只有经由对一个或多个结构进行质询才能获得，其中每个结构对电输入呈现出非确定性电输出响应。也就是说，非确定性响应只由那些一个或多个结构提供。换言之，当其他部件可以用于以某种方式处理(例如数字化或平滑)该不确定性响应时，那些其他部件决不是该非确定性响应的生成的一部分，并且不会有助于响应的非确定性性质。这可以被表述为除了对电输入呈现出非确定性电输出响应的所述结构或每个结构之外，没有涉及非确定性响应输出的生成的部件。也就是说，确定或提供非确定性响应的状态或输出水平的变化仅从对一个或多个结构的质询直接导出。这与例如使用混沌振荡器生成的非确定性响应形成对比，该混沌振荡器主要依赖于金属-氧化物-金属设备和电容器之间的相互作用。根据要求保护的发明，已经认识到这种相互作用不仅不是必需的，而且在不必要的部件方面是浪费的。相反，仅经由对一个或多个结构的质询来获得非确定性响应(其中每个结构对电输入呈现出非确定性电输出响应)，不需要其他部件。

同样，如上所述，结构可以被单独质询，或作为多个这种结构(例如，串联或并联)的组成部分被质询。如上所述，这些结构在名义上可以是相同的，例如，同时形成，在同一芯片或衬底上形成，在同一批次中形成，或者名义上被设计和/或制造成通用功能项相同。这使得提供或形成结构、和/或提供用于生成非确定性响应的设备或系统更容易和简单。仅使用对电输入呈现出非确定性电输出响应的单个结构是最简单、最便宜的，并且通常可能是最容易实现的(即，与使用多个结构相比)。然而，如上所述，可以有利地使用多个结构。

使用呈现出负微分电阻的结构是对电输入呈现出非确定性电输出响应的结构的一个很好的例子(如上面详细讨论的)。在该示例中负微分电阻是提供非确定性电输出响应的特征(例如，与不涉及生成非确定性电输出响应的外围特征相反)。

在(如上面已经详细描述的)状态之间过渡的锐度、峰的锐度、效率、简单性等方面，使用可替代地和/或附加地呈现出量子力学限制(例如涉及、允许或促进量子力学隧穿)的结构也是有益的。这可能与(例如)依赖于热噪声或白噪声以产生一些不确定性的设备形相反，这是因为(例如)可以通过改变温度对这些设备进行控制和外部操纵。可替代地和/或附加地呈现出量子力学限制的结构提供了由量子过程的固有的不确定性而显露出的输出不确定性，并且因此提供了更多稳定性和/或更好的不确定性的来源。

如上文所讨论的，二极管(特别是谐振隧穿二极管)是满足大多数(如果不是全部)上述标准的结构的良好示例。在满足这些标准方面，这种结构是非常简单和非常有效的。

虽然已经示出和描述了一些优选实施例，但是本领域技术人员将会理解的是，在不偏离(如所附权利要求中限定的)本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

关注集中在与本申请有关的本说明书同时或在与本申请有关的本说明书之前提交的、以及与本说明书一起对公众检查开放的所有论文和文件，并且所有这些论文和文件的内容可通过引用合并于此。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以按照任何组合形式进行组合，除了至少一些这种特征和/或步骤是相互排斥的组合之外。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的可替代特征所代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等价特征或类似特征的一个示例。

本发明并不限制于前述一个或多个实施例的详述内容。本发明可扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何一个新颖的特征或任何新颖的组合，或这样公开的任何方法或过程的步骤的任何一个新颖的步骤或任何新颖的组合。

Claims (16)

1.一种用于对质询生成非确定性响应的设备，所述设备包括：

对电输入呈现非确定性电输出响应的结构；

所述设备被布置为通过促进所述结构的输出的电测量来促进所述结构的质询以生成所述非确定性响应；

所述非确定性响应从所述测量中导出。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，由于两个或多个电输出可能是来自单个的电输入，所述非确定性电输出响应具有概率分布，和/或其中所述非确定性电输出是非确定性的。

3.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述结构呈现出负微分电阻，并且可选地，其中所述设备被布置以促进向所述结构选择性地输入电流或电压。

4.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述非确定性电输出响应：

与所述结构的状态从第一状态到第二状态的变化相关联；和/或

包括电输出从第一水平到第二阈值水平、或到超出第二阈值水平的变化。

5.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述设备被布置以促进所述质询，使得电输入值增加或减小，以触发所述非确定性电输出响应，可选地所述电输入值以恒定速率增加或减小。

6.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述设备被布置以促进所述电测量，使得对触发所述非确定性电输出响应所用的时间进行测量，所述非确定性响应从所述时间测量可导出。

7.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述设备被布置以促进所述质询，使得重复电输入值的输入，以触发所述非确定性电输出响应。

8.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中非确定性响应从所述测量可导出，这是由于所述非确定性响应是、或基于：

电输入触发所述非确定性电输出响应所用的时间；和/或

触发所述非确定性电输出响应的输入值；和/或

触发所述非确定性电输出响应的输入的数量。

9.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述非确定性电输出响应具有概率分布，并且所述设备被布置以促进相对于所述概率分布而被调整的质询。

10.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述结构呈现出量子力学限制，并且所述结构被布置为在受到电测量的质询时提供独特的响应，所述独特的响应与所述结构的限定所述量子力学限制的原子组成相关联。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述设备被布置为促进相对于所述独特的响应而被调整的质询。

12.根据前述权利要求中任何一项或多项所述的设备，其中，所述设备包括多个结构，所述设备被布置以促进对所述多个结构中的单独结构、或与另一结构电结合的结构的选择性的质询。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述设备被布置以促进相对于独特的响应和/或概率分布而被调整的质询，所述独特的响应和/或概率分布与所述多个结构中的一个结构相关联、或者与所述多个结构中以电结合形式连接或可连接的一些结构相关联。

14.一种用于对质询生成非确定性响应的系统，所述系统包括用于质询第二设备的第一设备，所述第二设备包括：

对电输入呈现出非确定性电输出响应的结构，所述第二设备被布置为通过促进所述结构的输出的电测量来促进所述结构的质询以生成所述非确定性响应，

所述第一设备被连接到或可连接到所述第二设备以便执行所述测量，所述非确定性响应从所述电测量可导出。

15.一种对质询生成非确定性响应的方法，所述方法包括：

通过对结构的输出进行电测量来质询所述结构以生成所述非确定性响应，所述非确定性响应从所述电测量可导出；

其中所述结构对电输入呈现出非确定性电输出响应。

16.实质上如本文所述的、或实质上如本文中结合附图所描述的、或实质上如附图中所示的一种设备、系统或方法。