CN109831299B - 基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器 - Google Patents

Abstract

基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，使用了单模光纤将双光子纠缠对的制备光路和基于POVM的量子随机数生成光路连接在一起，这样可以将两个不同的光路分隔开，相互之间不会有干扰，相比空间光路调节起来更方便。使用了一个可折叠的反射镜，通过是否折叠反射镜来切换投影测量验证EBI违背情况的光路和POVM生成随机数的光路，操作方便，使用灵活。通过对双光子纠缠源执行投影测量，完成了贝尔不等式违背大小的检验，来满足随机数生成过程中对设备无关的要求，实现了设备无关的随机数发生器的制作。采用四输出结果的POVM来生成随机数，通过对双光子纠缠源执行测量，每轮最大可以提取两个比特的随机数，提高了量子随机数的生成效率。

Description

基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器

技术领域

本发明属于量子信息领域，主要涉及基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，可以应用于量子通信、量子计算、金融、信息安全等领域。

背景技术

现代生活中，随机数在经济、科学、国防等各个领域扮演着重要的角色，在量子密码及量子信息中更是发挥着非常重要的作用。但是，经典的方法只能产生伪随机数，这些基于固定算法产生的伪随机数，既可以被预测，也可以被重复，一旦“种子”和算法已知，就很容易重复出这些看似随机的伪随机数。在通信中，这种方式产生的随机数会使通信变得不安全。

根据量子力学原理，量子随机数发生器可以产生真随机数。许多量子光学过程都可以用来产生量子随机数，比如光子到达时间、激光的相位噪声、量子真空波动等。但一般的方法想要获得真正的量子随机数都需要一个完全可靠的设备，而设备漏洞则会导致随机数可预测可复制。这时候，研究设备无关的随机数发生器的优点就凸显出来。通常采用的方案是对双光子纠缠态执行投影测量，然而该方法每轮最大只能提取一比特随机性。

发明内容

本发明针对上述问题，提出基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，使用了“三明治型”BBO参量下转换过程，用来制备最大纠缠态。同时使用POVM和投影测量两种测量方式，实现了量子随机数的提取，以及检验提取的随机数具有设备无关的性质。

基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，包括最大纠缠态制备光路、投影测量光路和正定算子测量(POVM)光路；

所述最大纠缠态制备光路，包括三明治型BBO晶体，和分为两条光路的A路和B路，两条光路上均依次设有空间补偿晶体和时间补偿晶体；

所述的三明治型BBO晶体由两块BBO晶体中间夹着一块半波片构成；其中，BBO晶体为II型β-偏硼酸钡晶体，且二者的所有切割角均相同，且其中一个切割角与满足II型相位匹配的相位匹配角相等且等于42.26度，半波片为角度为45°的真零级半波片；

所述投影测量光路，在最大纠缠态制备光路的基础上进行设置；

在所述最大纠缠态制备光路前端依次设置激光器、一个I型共线BBO晶体和一个透镜，在所述最大纠缠态制备光路的B路后端依次设置四分之一波片、半波片、偏振分光棱镜PBS、耦合透镜和单光子探测器，在A路后端依次设置两个相配合的耦合透镜、可折叠的反射镜、四分之一波片、半波片、偏振分光棱镜PBS、耦合透镜和单光子探测器；

所述正定算子测量光路，包括两个Sagnac环，Sagnac1和Sagnac2，均由1个PBS、3个反射镜和2个半波片组成；在每个环中，顺时针与逆时针的光路通过3个反射镜来调节光程，使得顺逆时针光路的光程相等并且完全重合在PBS上，环内的顺时针和逆时针两路光路中分别放置一个特定角度的半波片，保证级联的Sagnac干涉环中的四路输出为等概率输出；

Sagnac1有两路输出，一路经反射镜从输出端口1输出，另一路经反射镜和-22.5度半波片作为Sagnac2的输入进入Sagnac2；Sagnac2有两个输出，一路经反射镜从输出端口2输出，另一路经反射镜反射后，依次经过7.5度半波片、45度四分之一波片以及PBS分成两路输出，分别为输出端口3和输出端口4；所述四个输出端口均设有耦合透镜和单光子探测器；

所述投影测量光路在A路的两个耦合透镜之间设有一个可折叠的反射镜，可产生一条新的光路进入所述正定算子测量光路。

进一步地，所述最大纠缠态制备光路中，所述空间补偿晶体为LiNbO₃晶体，两个空间补偿晶体，其分别对所述两个非线性晶体出射的下转换光束进行空间补偿，使其在空间上不可区分；所述时间补偿晶体是YVO₄晶体，两个时间补偿晶体，其分别对所述两个非线性晶体出射的下转换光子进行时间补偿，使其在时间上不可区分。

进一步地，第一个Sagnac干涉环中的半波片的角度分别为-22.5度和0度；第二个Sagnac干涉环中的半波片的角度分别为27.37度和90度。

进一步地，所述的两个级联的Sagnac干涉环中的两个PBS规格均为25.4*25.4*25.4mm，且消光比均大于1000:1。

进一步地，所述激光器1采用锁模钛宝石激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，中心波长780nm，将激光器功率降到19mw，以降低噪声。

本发明具有如下优点：

(1)本发明使用了单模光纤将双光子纠缠对的制备光路和基于POVM的量子随机数生成光路连接在一起了，这样可以将两个不同的光路分隔开，相互之间不会有干扰，相比空间光路调节起来更方便。

(2)本发明中使用了一个可折叠的反射镜，通过是否折叠反射镜来切换投影测量验证EBI违背情况的光路和POVM生成随机数的光路，操作方便，使用灵活。

(3)本发明中通过对双光子纠缠源执行投影测量，完成了贝尔不等式违背大小的检验，来满足随机数生成过程中对设备无关的要求，实现了设备无关的随机数发生器的制作。

(4)本发明中采用四输出结果的POVM来生成随机数，通过对双光子纠缠源执行测量，每轮最大可以提取两个比特的随机数，提高了量子随机数的生成效率。

附图说明

图1为本发明的最大纠缠态制备光路的原理示意图。

图2为本发明的投影测量光路的原理示意图。

图3为本发明的和正定算子测量(POVM)光路的原理示意图。

图4为本发明所述的量子随机数发生器光路的整体原理示意图。

图中，1-钛宝石激光器，2-I型共线BBO晶体，3-透镜，4-三明治型BBO晶体，5a-空间补偿晶体，5b-空间补偿晶体，6a-时间补偿晶体，6b-时间补偿晶体，7-四分之一波片，8-半波片，9-偏振分光棱镜PBS，10a-耦合透镜，10b-耦合透镜，11b-耦合透镜，11a-单光子探测器，12-可折叠的反射镜，13-四分之一波片，14-半波片，15-偏振分光棱镜PBS，16-耦合透镜，17-单光子探测器，18a-偏振分光棱镜PBS，18b-偏振分光棱镜PBS，19a-反射镜，19b-反射镜，20a-反射镜，20b-反射镜，21a-反射镜，21b-反射镜，22a-半波片，22b-半波片，23a-半波片，23b-半波片，24a-反射镜，24b-反射镜，25a-反射镜，25b-反射镜，27a-耦合透镜，27b-耦合透镜，28a-单光子探测器，28b-单光子探测器，29-半波片，30-四分之一波片，31-偏振分光棱镜PBS，32a-准直头透镜，32b-准直头透镜，33a-单光子探测器，33b-单光子探测器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，包括最大纠缠态制备光路、投影测量光路和正定算子测量(POVM)光路。

最大纠缠态制备光路，参照图1，包括三明治型BBO晶体，和分为两条光路的A路和B路，两条光路上均依次设有空间补偿LiNbO₃晶体和时间补偿YVO₄晶体。

所述的三明治型BBO晶体由两块BBO晶体中间夹着一块半波片构成；其中，BBO晶体为II型β-偏硼酸钡晶体，且二者的所有切割角均相同，且其中一个切割角与满足II型相位匹配的相位匹配角相等且等于42.26度，半波片为角度为45°的真零级半波片。

采用泵浦光波长为390nm，泵浦光经过三明治型BBO晶体进行自发参量下转换。中心波长为390nm的泵浦光经第一块BBO晶体后泵浦出A和B两束中心波长为780nm的参量光，偏振分别为H和V，这两束参量光经45°半波片后分别变为V和H。泵浦光通过第二块BBO后也泵浦出A和B两束中心波长为780nm的参量光，偏振分别为H和V。结果使得390nm的泵浦光经三明治型BBO后泵浦出A和B端各两路780nm的参量光，偏振分别为VH和HV。四路参量光经该组参量光经时间补偿YVO₄晶体和空间补偿LiNbO₃晶体后，制备出最大纠缠态

B端加入一个45°半波片，使该最大纠缠态变为

所述投影测量光路，在最大纠缠态制备光路的基础上进行设置；

在所述最大纠缠态制备光路前端依次设置激光器1、一个I型共线BBO晶体2和一个透镜3，在所述最大纠缠态制备光路的B路后端依次设置四分之一波片7、半波片8、偏振分光棱镜PBS9、耦合透镜10a和单光子探测器11a，在A路后端依次设置两个相配合的耦合透镜10b和11b、可折叠的反射镜12、四分之一波片13、半波片14、偏振分光棱镜PBS15、耦合透镜16和单光子探测器17。两个PBS 9和15的规格均为25.4×25.4×25.4mm，同时所有光学元件的工作波长均为780nm。

所述正定算子(POVM)测量光路，包括两个Sagnac环，Sagnac1和Sagnac2，均由1个PBS、3个反射镜和2个半波片组成。

其中，PBS18a和反射镜19a、20a、21a构成Sagnac1，PBS18b和反射镜19b、20b、21b构成Sagnac2，两个Sagnac环中间有一个半波片26。

在每个环中，顺时针与逆时针的光路通过3个反射镜来调节光程，使得顺逆时针光路的光程相等并且完全重合在PBS上，环内的顺时针和逆时针两路光路中分别放置一个特定角度的半波片，保证级联的Sagnac干涉环中的四路输出为等概率输出。

Sagnac1有两路输出，一路经反射镜25a从输出端口1(Output1)输出，另一路经反射镜24a和-22.5度半波片26作为Sagnac2的输入进入Sagnac2。

Sagnac2有两个输出，一路经反射镜25b从输出端口2(Output2)输出，另一路经反射镜24b反射后，依次经过7.5度半波片29、45度四分之一波片30以及PBS31分成两路输出，分别为输出端口3(Output3)和输出端口4(Output4)。

所述的两个级联的Sagnac干涉环中的两个PBS规格均为25.4*25.4*25.4mm，且消光比均大于1000:1。

所述四个输出端口均设有耦合透镜和单光子探测器，输出端口1(Output1)设有耦合透镜27a和单光子探测器28a，输出端口2(Output2)设有耦合透镜27b和单光子探测器28b，输出端口3(Output3)设有准直头透镜32a和单光子探测器33a，输出端口4(Output4)设有准直头透镜32b和单光子探测器33b。

具体的，第一个Sagnac环里，780nm参量光经PBS18a分为透射光和反射光两束光。透射光逆时针依次经过反射镜21a、20a、19a回到PBS18a，应当注意的是，该逆时针光路里，加入了一个角度为-22.5°的半波片22a来改变偏振。反射光顺时针依次经过反射镜19a、20a、21a回到PBS18a，应当注意的是，该顺时针光路里，加入了一个角度为0°的半波片23a来补偿光程。通过调节反射镜19a、20a、21a最终使得透反两束参量光在PBS18a上完全重合，重合的参量光在PBS18a上进行干涉，干涉可见度为98.2％。干涉后的参量光在PBS18a上分为两束，一路进入Sagnac2，另一路进入Output1，两路参量光的光子数量比为3:1。经过24a反射镜反射的参量光经一个角度为-22.5°的半波片进入Sagnac2。进入Sagnac2的参量光通过与Sagnac1类似的光路在PBS18b上进行干涉，干涉可见度为98.0％。值得注意的是，在该部分中，半波片22b与23b的角度分别为27.37°和90°，使得干涉后分别由反射镜24b和25b反射的两路输出的单光子计数比为2:1。并且，经反射镜25b反射的参量光输出为Output2，而经反射镜24b反射的参量光依次通过角度为7.5°的半波片29、角度为45°的四分之一波片30以及PBS31分别输出为Output3和Output4，并且使得Output3与Output4中单光子计数比为1:1。最终使得四个输出端口的单光子计数均相等，即每个纠缠光子对中的A路的光子等概率从四个输出端口Output1、Output2、Output3以及Output4输出。每个输出端口的光子分别经干涉滤波片滤波以及耦合透镜耦合之后进入对应的单光子探测器。

另外，在调节反射镜使Sagnac环的干涉可见度达到98％以上时，由于两个Sagnac环之间有影响，所以应先调节第一个Sagnac环，在保证第一个已经调到可见度高于98％的情况下再去调节第二个Sagnac环使其也高于98％，以确保高质量的POVM。还有，在搭建POVM光路时，各晶体之间应该尽可能的放置紧密，从而最大限度的缩短光程，这样有利于光路的搭建和减少出错的可能。

所述投影测量光路在A路的两个耦合透镜之间设有一个可折叠的反射镜，可产生一条新的光路进入所述正定算子测量光路。

所述激光器1采用锁模钛宝石激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，中心波长780nm，将激光器功率降到19mw，以降低噪声。

从所述量子随机数发生器整体上看，激光器1提供泵浦激光源。激光器1产生的泵浦激光通过I型共线BBO2倍频后产生390nm的泵浦光，经焦距为100mm透镜3聚焦后入射到三明治型BBO晶体4上，并在BBO晶体4上发生图1所述的参量下转换过程，经时间空间补偿后制备最大纠缠态。将反射镜12折叠起来，B路光子经四分之一波片7、半波片8、PBS9、耦合透镜10a进入单光子探测器11a，A路光子经耦合透镜10b和11b、四分之一波片13、半波片14、PBS15、耦合透镜16进入单光子探测器17。通过在16组测量基(HH、VH、VV、HV、HR、VR、VD、HD、RD、DD、DR、DH、DV、LV、LH、LR)下测量单光子探测器11和17的双光子符合计数，得到双光子纠缠源的纠缠度为98.3％。如图2所述，通过测量48组测量基得到贝尔不等式的违背值为6.81，超过了经典界限6，故而满足量子随机数提取器的要求。接下来，在B路的四分之一波片7置于45°，半波片8置于-22.5度，将PBS9替换为石英片，经耦合透镜10a耦合后通过单模光纤接入单光子探测器11a，此时的B路的光子作为标记光子。与此同时，将可折叠的反射镜12处于非折叠状态，使A路光子进入如图3所述的POVM光路中。光子经POVM光路及耦合透镜27a、27b、32a和32b耦合后分别通过单模光纤等概率进入四个单光子探测器28a、28b、33a和33b，单光子探测器连接到时间标签(Timetag)上，利用Timetag记录检测结果。用B路的光子来作为触发光子，处理Output1、Output2、Output3和Output4的光子和触发光子之间的符合光子，以获得原始的随机数比特串。

在提取原始随机数时，激光器功率为19mw，每个测量持续300秒，Timetag的符合窗口设置为1纳秒，以减少随机符合。总共收集数据大约四小时，共获得四个数据集，并将4个结果分别编码为00、01、10、11，每个事件的概率接近25％。为了使输出数据转化为均匀随机位，使用随机数提取器进行后处理，即通过应用Toeplitz-hashing提取器或LFSR方法获得最终随机数。结果表明，该随机串具有良好的均匀性并且通过了美国国家标准与技术研究院(NIST)的所有测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，包括最大纠缠态制备光路、投影测量光路和正定算子测量（POVM）光路，其特征在于：

所述最大纠缠态制备光路，包括三明治型BBO晶体，和分为两条光路的A路和B路，两条光路上均依次设有空间补偿晶体和时间补偿晶体；

所述的三明治型BBO晶体由两块BBO晶体中间夹着一块半波片构成；其中，BBO晶体为II型β-偏硼酸钡晶体，且二者的所有切割角均相同，且其中一个切割角与满足II型相位匹配的相位匹配角相等且等于42.26度，半波片为角度为45°的真零级半波片；

所述投影测量光路，在最大纠缠态制备光路的基础上进行设置；

在所述最大纠缠态制备光路前端依次设置激光器、一个I型共线BBO晶体和一个透镜，在所述最大纠缠态制备光路的B路后端依次设置四分之一波片、半波片、偏振分光棱镜PBS、耦合透镜和单光子探测器，在A路后端依次设置两个相配合的耦合透镜、可折叠的反射镜、四分之一波片、半波片、偏振分光棱镜PBS、耦合透镜和单光子探测器；

所述正定算子测量光路，包括两个Sagnac环，Sagnac1和Sagnac2，均由1个PBS、3个反射镜和2个半波片组成；在每个环中，顺时针与逆时针的光路通过3个反射镜来调节光程，使得顺逆时针光路的光程相等并且完全重合在PBS上，环内的顺时针和逆时针两路光路中分别放置一个特定角度的半波片，保证级联的Sagnac干涉环中的四路输出为等概率输出；

Sagnac1有两路输出，一路经反射镜从输出端口1输出，另一路经反射镜和-22.5度半波片作为Sagnac2的输入进入Sagnac2；Sagnac2有两个输出，一路经反射镜从输出端口2输出，另一路经反射镜反射后，依次经过7.5度半波片、45度四分之一波片以及PBS分成两路输出，分别为输出端口3和输出端口4；四个输出端口均设有耦合透镜和单光子探测器；

所述投影测量光路在A路的两个耦合透镜之间设有一个可折叠的反射镜，可产生一条新的光路进入所述正定算子测量光路。

2.根据权利要求1所述的基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，其特征在于：所述最大纠缠态制备光路中，所述空间补偿晶体为LiNbO₃晶体，两个空间补偿晶体分别对所述两个非线性晶体射出的下转换光束进行空间补偿，使其在空间上不可区分；所述时间补偿晶体是YVO₄晶体，两个时间补偿晶体分别对所述两个非线性晶体射出的下转换光子进行时间补偿，使其在时间上不可区分。

3.根据权利要求1所述的基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，其特征在于：第一个Sagnac干涉环中的半波片的角度分别为-22.5度和0度；第二个Sagnac干涉环中的半波片的角度分别为27.37度和90度。

4.根据权利要求1所述的基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，其特征在于：所述的两个级联的Sagnac干涉环中的两个PBS规格均为25.4*25.4*25.4mm，且消光比均大于1000:1。

5.根据权利要求1所述的基于正定算子测量的设备无关量子随机数发生器，其特征在于：所述激光器采用锁模钛宝石激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，中心波长780nm，将激光器功率降到19mw，以降低噪声。

Images