CN109918046A - 一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其包括光源、检测器阵列、随机性提取器、均光材料模块以及像素处理控制模块。检测器阵列用于遮挡光源发出的光线，且接收光线中的光子，以产生相应的电子以及电压，并通过至少一个模数转化器以转化为比特流。随机性提取器用于随机提取其接收的数据，并获取随机数。均光材料模块遮挡在光源与检测器阵列之间，并用于均匀化光源发射至检测器阵列的光场。像素处理控制模块周期性统计像素强度分布的区间，以获取光强信息，并判断每个像素强度是否达到一个预设门限，以调节光源的发光的亮度。本发明可避免在随机性提取器上进行校准和关联的设计，极大地简化了装置，使随机数的生成更加稳定。

Description

一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置

技术领域

本发明涉及量子通讯技术领域的一种随机数产生装置，尤其涉及一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置。

背景技术

随机数在经济、科学、国防、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、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，伪随机实际上只是“看起来像”随机数，也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出它们的不同。但是从本质上看它们的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。

根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上有保证。

根据量子力学的基本原理，量子随机数发生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，比如利用单光子探测，量子非局域性和真空态的统计涨落都已经实验成功。但是，现有技术的量子随机发生器不能稳定地量产随机数，需经常进行校准和关联。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置，以解决现有技术的量子随机发生器不能稳定地量产随机数，需经常进行校准和关联的问题。

本发明采用以下技术方案实现：一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其包括：

光源；

检测器阵列，其用于遮挡光源发出的光线，且接收光线中的光子，以产生相应的电子以及电压，并通过至少一个模数转化器以转化为比特流；

随机性提取器，其用于随机提取其接收的数据，并获取随机数；

均光材料模块，其遮挡在光源与检测器阵列之间，并用于均匀化光源发射至检测器阵列的光场；以及

像素处理控制模块，其用于接收所述比特流；像素处理控制模块周期性统计像素强度分布的区间，以获取光强信息，并判断每个像素强度是否达到一个预设门限；在所述像素强度达到所述预设门限时，像素处理控制模块则将检测器阵列产生的比特流传输至随机性提取器；在所述像素强度未达到所述预设门限时，像素处理控制模块则根据所述光强信息判断光强度是否大于一个预设光强度值，是则驱动光源降低发光的亮度，否则驱动光源提高发光的亮度。

作为上述方案的进一步改进，在像素处理控制模块接收所述比特流时，还判断首次调整光源的发光亮度是否结束，是则将检测器阵列产生的比特流传输至随机性提取器，否则等待至完成首次调整光源的发光亮度，并判断每个像素强度是否达到所述预设门限。

作为上述方案的进一步改进，均光材料模块为具有折射、反射和散射光线特性的透镜。

作为上述方案的进一步改进，均光材料模块为采用PET材料制成的至少一层均光扩散膜。

进一步地，所述均光扩散膜，其透光率不低于73％，雾度高于95.50％。

作为上述方案的进一步改进，在每个像素均工作在线性区域时，定义所述预设门限的光强度值，使得每个像素的电子-数字转换因子ξ>1。

进一步地，检测器阵列输出的随机变量X＝X_q+X_t，其中，X_q和X_t分别为量子不确定分布D_q和技术噪声分布D_t的独立随机变量；

定义检测器阵列的像素接收的光子的平均数量为n，则所述改进的基于光学的量子随机数产生的装置的量子熵H(X_q)＝ln(2π*e*n)/[2ln(2)]。

再进一步地，随机性提取器从大于k的较低熵开始，输入原始位值r_i，并计算k个高熵输出位y_i；其中，k为正整数，y_i＝∑[Mj_i*r_i]，即y_i由原始位值r_i形成的向量和随机1*k矩阵M之间执行向量乘法所得。

作为上述方案的进一步改进，检测器阵列具有传输概率损耗的有损信道，且设有具有一定量子效率的光电传感器。

进一步地，光电传感器为具有像素阵列的图像传感器，且所述图像传感器为CCD传感器或者CMOS传感器。

本发明的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，通过在光源和检测器阵列之间插入一个或者多个均光材料模块，以均匀化光源发射至检测器阵列的光场，从而使检测器阵列表面的光强均匀化，进而使检测器阵列各区域接收的光子数更加均匀，可避免在随机性提取器上进行校准和关联的设计，且本发明可采用单个随机性提取器，极大地简化了装置，提高了能源的利用率。同时，在本发明中，像素处理控制模块可以根据像素强度以及光强度对光源的发光亮度进行调整，并形成实时的闭环回路，这样，即使由于光源产生老化、高低温等情况并影响光源的辐射而导致发出光场的变化，像素处理控制模块也可以通过光源自适应地调整光强强度，使得检测器阵列工作在更稳定的线性区域内，使得随机数的生成更加稳定。

附图说明

图1为现有的一种随机数发生器的原理框图；

图2为图1中的随机数发生器的光源发光至检测器阵列的光照图；

图3为本发明实施例1的改进的基于光学的量子随机数产生的装置的原理框图；

图4为图3中的改进的基于光学的量子随机数产生的装置的光源发光至检测器阵列的光照图；

图5为图3中的改进的基于光学的量子随机数产生的装置的检测器阵列的内部框图；

图6为图3中的改进的基于光学的量子随机数产生的装置的像素处理控制模块的流程图；

图7为本发明实施例3的光学量子随机数生成器的布置结构的原理框图；

图8为图7中的光学量子随机数生成器的布置结构的光源发光至检测器阵列的光照图；

图9为图7中的光学量子随机数生成器的布置结构的结构示意图；

图10为图7中的光学量子随机数生成器的布置结构在未设置屏蔽罩时的俯视图；

图11为本发明实施例4的光学量子随机数生成器的布置结构在未设置屏蔽罩时的俯视图。

符号说明：

1 光源 4 均光材料模块

2 检测器阵列 5 像素处理控制模块

2a 有损信道 6 多像素光子传感器

2b 光电传感器 7 PCB板

2c 模数转化器 8 屏蔽罩

3 随机性提取器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1以及图2，图中展现了现有的一种随机数发生器，光源1产生的光直接照射在检测器阵列2上。检测器阵列2的像素接收到光子，产生电子和电压，经过ADC后，相应的比特流通过随机性提取器3进行随机性的提取，如将M位数据变换为N位的数据(M>N)，最后形成可以使用的随机数。

但是，本案发明人通过研究发现，上述随机数发生器存在产生随机数不稳定的情况。在光源1产生的光到达检测器阵列2的时候，光场是不均匀的。其中，光源1直射的像素点，光强就会比较强，而边沿的像素点，其光强就会较弱。整个检测器阵列2的不同像素，其接收光的强弱差距较大，为了尝试解决这个问题，在随机性提取器3中就不得不设计多种不同的门限，以及采用多个随机性提取器3。这样，对于每个像素点，就要去判别当时的光强(接收的光子数)，并以此来选择相应的随机性提取器3。如此，整个系统的设计就会比较复杂，甚至是难以实现稳定的可量产的设备。例如，随着光源1的老化，或者光源1所处于温度的剧烈变化，检测器阵列2处的光强发生变化，就有需要对于每个像素所关联的随机性提取器3进行重新校准和关联。因而，随机数的输出就会受到比较大的影响，严重情况下，随机数发生器不得不暂时停止随机数输出。

故，本案发明人提供以下实施例，以解决上述问题。

实施例1

请参阅图3-6，本实施例提供了一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其包括光源1、检测器阵列2、随机性提取器3、均光材料模块4以及像素处理控制模块5，其中，随机性提取器3为简化的随机性提取器，其数量可以仅为一个。

光源1可以采用发光二极管、激光二极管或者任何其他适当的光源，甚至可以采用产生环境光的装置。其中，光源1产生的光场可以为光强恒定的相干光场，并且光场分布满足泊松分布。即，光源1每单位时间间隔T发射光子的数量服从标准偏差为√n的泊松分布，其中n是在时间间隔T中发射的光子的平均数。

请继续参阅图5，检测器阵列2用于遮挡光源1发出的光线，且接收光线中的光子，以产生相应的电子以及电压，并通过至少一个模数转化器2c(即ADC)以转化为比特流，比特流即为像素数据流。在本实施例中，检测器阵列2可以具有传输概率损耗的有损信道2a，且可以设有具有一定量子效率的光电传感器2b。其中，光电传感器2b可为具有像素阵列的图像传感器，且图像传感器可为CCD传感器或者CMOS传感器，也可以为足够的光敏度的现成器件。

均光材料模块4的数量可以为一个或者多个，且均光材料模块4遮挡在光源1与检测器阵列2之间，并用于均匀化光源1发射至检测器阵列2的光场。均光材料模块4可以采用具有折射、反射和散射光线特性的透镜，也可以采用PET材料制成的均光扩散膜。均光扩散膜的数量为一层，也可以为多层，其中，均光扩散膜的透光率不低于73％，雾度高于95.50％。均光扩散膜的雾度越高，其穿透后的光线的均匀性就越好，可以提升均光材料模块4的均光性能。在实际产品设计中，在光源1和检测器阵列2之间，可以设置多层多区域的均光扩散膜来达到更好的均光效果，比如，在光源1靠近检测器阵列2的一侧以及检测器阵列2靠近光源1的一侧所在不同结构位置上放置均光扩散膜。通过均光扩散膜的放置，使得到达检测器阵列2的表面的光强均匀化并且一致。

请继续参阅图6，像素处理控制模块5用于接收比特流。像素处理控制模块5周期性统计像素强度分布的区间，以获取光强信息，并判断每个像素强度是否达到一个预设门限。在像素强度达到预设门限时，像素处理控制模块5则将检测器阵列2产生的比特流传输至随机性提取器3。在像素强度未达到预设门限时，像素处理控制模块5则根据光强信息判断光强度是否大于一个预设光强度值，是则驱动光源1降低发光的亮度，否则驱动光源1提高发光的亮度。而且，在本实施例中，在像素处理控制模块5接收比特流时，还判断首次调整光源1的发光亮度是否结束，是则将检测器阵列2产生的比特流传输至随机性提取器3，否则等待至完成首次调整光源1的发光亮度，并判断每个像素强度是否达到预设门限。在调整光源1发光的亮度时，可以通过调节光源1的工作功率，并且可以通过以一个步长为单位，进行调节。

在定义上述预设门限的具体范围或者数值时，可以在每个像素均工作在线性区域时，定义预设门限的光强度值，使得每个像素的电子-数字转换因子ξ>1。这样，就排除了像素饱和情况的发生。具体地，对于由光子传感器生成的电子的每个可能数量，在模数转化器2c的输出端存在一个唯一的数字值或者代码。当每次系统进行第一次的校准并通过以后，说明系统的闭环功能已经正常运行起来，像素的数值才可以输出到下一模块，即输出到随机性提取器3。

随机性提取器3用于随机提取其接收的数据，即提取像素处理控制模块5输送至的数据，并获取随机数。由于本实施例使用了均光材料均化了光源1发射至检测器阵列2的光场，使得检测器阵列2的每个像素的读数更加接近，因此随机性提取器3的数量可以选择为一个，如此可以简化整个装置，同时，随机性提取器3也不需要进行校准和关联，进一步简化了随机性提取器3的结构。

其中，检测器阵列2输出的随机变量X＝X_q+X_t，X_q和X_t分别为量子不确定分布D_q和技术噪声分布D_t的独立随机变量。定义检测器阵列2的像素接收的光子的平均数量为n，则改进的基于光学的量子随机数产生的装置的量子熵H(X_q)＝ln(2π*e*n)/[2ln(2)]。而随机性提取器3从大于k的较低熵开始，输入原始位值r_i，并计算k个高熵输出位y_i；其中，k为正整数，y_i＝∑[Mj_i*r_i]，即y_i由原始位值r_i形成的向量和随机1*k矩阵M之间执行向量乘法所得。

这里需要说明的是，在一些实施例中，改进的基于光学的量子随机数产生的装置还可以将光源1与检测器阵列2同样焊接在基板上或者是PCB板上，这样，可以大大简化结构的设计和生产成本。

综上所述，相较于现有的量子随机数发生器，本实施例的改进的基于光学的量子随机数产生的装置具有以下优点：

本实施例的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，通过在光源1和检测器阵列2之间插入一个或者多个均光材料模块4，以均匀化光源1发射至检测器阵列2的光场，从而使检测器阵列2表面的光强均匀化，进而使检测器阵列2各区域接收的光子数更加均匀，可避免在随机性提取器3上进行校准和关联的设计，且本实施例可采用单个随机性提取器3，极大地简化了装置，提高了能源的利用率。同时，在本实施例中，像素处理控制模块5可以根据像素强度以及光强度对光源1的发光亮度进行调整，并形成实时的闭环回路，这样，即使由于光源1产生老化、高低温等情况并影响光源1的辐射而导致发出光场的变化，像素处理控制模块5也可以通过光源1自适应地调整光强强度，使得检测器阵列2工作在更稳定的线性区域内，使得随机数的生成更加稳定。

实施例2

本实施例提供了一种改进的光量子随机数产生的实现方法，其应用于实施例1中的改进的基于光学的量子随机数产生的装置中。其中，改进的光量子随机数产生的实现方法包括以下步骤：

步骤一，均匀化光源1发射至检测器阵列2的光场；

步骤二，接收检测器阵列2产生的比特流，周期性统计像素强度分布的区间，以获取光强信息；

步骤三，根据光强信息，判断每个像素强度是否达到一个预设门限；

在像素强度达到预设门限时，执行步骤四，将检测器阵列2产生的比特流传输至随机性提取器3；

在像素强度未达到预设门限时，执行步骤五，根据光强信息判断光强度是否大于一个预设光强度值；

在光强度大于预设光强度值时，执行步骤六，驱动光源1降低发光的亮度；

在光强度不大于预设光强度值时，执行步骤七，驱动光源1提高发光的亮度；

步骤八，判断首次调整光源1的发光亮度是否结束；

在完成首次调整光源1的发光亮度时，执行步骤四；

在未完成首次调整光源1的发光亮度时，等待至完成首次调整光源1的发光亮度，并执行步骤二。

其中，在调整光源1发光的亮度时，可以通过调节光源1的工作功率，并且可以通过以一个步长为单位，进行调节。

综上所述，相较于现有的量子随机数的产生方法，本实施例的改进的光量子随机数产生的实现方法具有以下优点：

本实施例的改进的光量子随机数产生的实现方法，通过均匀化光源1发射至检测器阵列2的光场，从而使检测器阵列2表面的光强均匀化，进而使检测器阵列2各区域接收的光子数更加均匀，可避免在随机性提取器3上进行校准和关联的设计，且本实施例可采用单个随机性提取器3，极大地简化了装置，提高了能源的利用率。同时，在本实施例中，根据像素强度以及光强度对光源1的发光亮度进行调整，并形成实时的闭环回路，这样，即使由于光源1产生老化、高低温等情况并影响光源1的辐射而导致发出光场的变化，通过光源1也可以自适应地调整光强强度，使得检测器阵列2工作在更稳定的线性区域内，使得随机数的生成更加稳定。

实施例3

请参阅图7-10，本实施例提供了一种光学量子随机数生成器的布置结构，其包括光源1、检测器阵列2、PCB板7、屏蔽罩8、随机性提取器3以及像素处理控制模块5。其中，光源1、检测器阵列2、随机性提取器3以及像素处理控制模块5可以采用实施例1中的相应部件。同时，实施例1中的光电传感器2b在本实施例中为多像素光子传感器6。

本实施例的光学量子随机数生成器的布置结构与实施例1的改进的基于光学的量子随机数产生的装置相似，区别在于本实施例的光源1和检测器阵列2的布置方式不同，并且，本实施例增加了PCB板7和屏蔽罩8。

在本实施例中，光源1的数量为多个，且多个光源1环绕多像素光子传感器6设置，且每个光源1与多像素光子传感器6的距离均相同，使得多像素光子传感器6接收到每个光源1所发出的光线的强度均相同，从而使多像素光子传感器表面的光强更加均匀，可避免后期的数据校准和关联，提高能源的利用率。优选地，光源1为LED。

PCB板7的数量仅为一块，并且光源1、多像素光子传感器6均安装PCB板7的同一面上。PCB板7可呈方形或者圆形等，且PCB板7可以采用现有的PCB板7。相对于现有的生成器，本实施例仅使用一块PCB板7，可以降低物料成本。

请继续参阅图8以及图9，屏蔽罩8安装在PCB板7上，且与PCB板7围成容纳光源1、多像素光子传感器6的屏蔽腔。屏蔽罩8的内壁具有反射光线的反射面，屏蔽腔为封闭的腔体。屏蔽罩8的内壁可以采用具有反射和散射特性的材质制成，使得反射至光子传感器6的光线能够更加均匀。屏蔽罩8也可以通过可拆卸式的安装方式安装在PCB板7上，还可以通过焊接、胶粘等方式固定在PCB板7上，以便于安装和拆卸屏蔽罩8。

其中，光源1发射的光线经反射面反射以进入多像素光子传感器6中，光子传感器6产生相应的感应信号，进一步实现随机数的生成。而且，光源1、多像素光子传感器6以及屏蔽罩8可均通过SMT贴片机装配在PCB板7上。

本实施例的光学量子随机数生成器的布置结构，通过将光源1、多像素光子传感器6设置在屏蔽腔内，光源1发出的光线经过屏蔽罩8内壁的反射面反射后进入多像素光子传感器6中，实现感应信号的生成。相对于现有的生成器，本实施例仅使用一块PCB板7，可以降低物料成本，而且不需要对布置结构所安装在的结构进行密封不透光处理，进一步降低成本，并且结构简单，易于实现。在本实施例中，PCB板7无需安装在外壳中即可使用，可方便研发生产中的调试，布置起来简单，而且还可以将本发明的布置结构嵌入其他产品中，扩大光学量子随机数生成器的布置结构的使用场景，并进一步提高光学量子随机数生成器的利用率。

当本实施例的光源1的数量为多个时，多个光源1环绕多像素光子传感器6设置，多个光源1发出的光线均通过反射面进入多像素光子传感器6中，使得多像素光子传感器6接收的光线更加均匀，进而使得多像素光子传感器6表面的光强更加均匀，可避免后期的数据校准和关联，提高能源的利用率。

实施例4

请参阅图11，本实施例提供了一种光学量子随机数生成器的布置结构，其与实施例3的相似，区别在于本实施例的光源1为环形光源，且环形光源的圆心与多像素光子传感器6的中心重合。环形光源1发出的光线通过反射面反射后，进入多像素光子传感器6中，使得多像素光子传感器6各区域接收的光子的数量和强度均相同，从而避免后期的数据校准和关联，提高能源的利用率，也便于调整调整光源1的发光亮度，提高随机数生成的稳定性。

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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其包括：

光源(1)；

检测器阵列(2)，其用于遮挡光源(1)发出的光线，且接收光线中的光子，以产生相应的电子以及电压，并通过至少一个模数转化器(2c)以转化为比特流；

随机性提取器(3)，其用于随机提取其接收的数据，并获取随机数；

其特征在于，所述改进的基于光学的量子随机数产生的装置还包括：

至少一个均光材料模块(4)，其遮挡在光源(1)与检测器阵列(2)之间，并用于均匀化光源(1)发射至检测器阵列(2)的光场；以及

像素处理控制模块(5)，其用于接收所述比特流；像素处理控制模块(5)周期性统计像素强度分布的区间，以获取光强信息，并判断每个像素强度是否达到一个预设门限；在所述像素强度达到所述预设门限时，像素处理控制模块(5)则将检测器阵列(2)产生的比特流传输至随机性提取器(3)；在所述像素强度未达到所述预设门限时，像素处理控制模块(5)则根据所述光强信息判断光强度是否大于一个预设光强度值，是则驱动光源(1)降低发光的亮度，否则驱动光源(1)提高发光的亮度。

2.如权利要求1所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，在像素处理控制模块(5)接收所述比特流时，还判断首次调整光源(1)的发光亮度是否结束，是则将检测器阵列(2)产生的比特流传输至随机性提取器(3)，否则等待至完成首次调整光源(1)的发光亮度，并判断每个像素强度是否达到所述预设门限。

3.如权利要求1所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，均光材料模块(4)为具有折射、反射和散射光线特性的透镜。

4.如权利要求1所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，均光材料模块(4)为采用PET材料制成的至少一层均光扩散膜。

5.如权利要求4所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，所述均光扩散膜，其透光率不低于73％，雾度高于95.50％。

6.如权利要求1所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，在每个像素均工作在线性区域时，定义所述预设门限的光强度值，使得每个像素的电子-数字转换因子ξ>1。

7.如权利要求6所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，检测器阵列(2)输出的随机变量X＝X_q+X_t，其中，X_q和X_t分别为量子不确定分布D_q和技术噪声分布D_t的独立随机变量；

定义检测器阵列(2)的像素接收的光子的平均数量为n，则所述改进的基于光学的量子随机数产生的装置的量子熵H(X_q)＝ln(2π*e*n)/[2ln(2)]。

8.如权利要求7所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，随机性提取器(3)从大于k的较低熵开始，输入原始位值r_i，并计算k个高熵输出位y_i；其中，k为正整数，y_i＝∑[Mj_i*r_i]，即y_i由原始位值r_i形成的向量和随机1*k矩阵M之间执行向量乘法所得。

9.如权利要求1所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，检测器阵列(2)具有传输概率损耗的有损信道(2a)，且设有具有一定量子效率的光电传感器(2b)。

10.如权利要求9所述的改进的基于光学的量子随机数产生的装置，其特征在于，光电传感器(2b)为具有像素阵列的图像传感器，且所述图像传感器为CCD传感器或者CMOS传感器。