CN110187867A - 芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器,芯片上集成光源驱动器(1)、光源体(2)、偏振控制器(3)、前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)、多模干涉器(7)、光电二极管(8)、跨阻放大器(9)、模数转换器(10)、提取器(11)和热移相驱动器(12)；光源体(2)发出连续激光，放大后的电压信号经过模数转换器(10)采集后变为数字信号，数字信号经过提取器(11)提取后输出随机数；提取器(11)从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k。具有很大的输出带宽，设备的典型尺寸小于1cm*1cm*0.3cm，降低制造成本，实现设备小型化。
Description
技术领域
本发明属于密码学领域，涉及IPC分类G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术，尤其是芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器。
背景技术
量子随机数发生器是基于量子物理和量子效应，产生真随机数的设备，量子随机数发生器具有真随机的特点，产生的随机序列无周期性，不可预知，主要应用在密码系统的随机性质量和安全性具有严格要求的重要领域，如安全加密系统、通信系统以及统计仿真系统等。例如，量子随机数发生器是量子保密通信系统的核心部件，量子保密通信技术，作为一种“无条件安全”的通信保密手段，能够完美地解决信息传输过程中的安全问题，成为新一代信息网络安全解决方案的核心。
相关专利文献公开较少。
清华大学提出的中国专利申请201820480303.1提供一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器。在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。
北京中创为量子通信技术有限公司提出的中国专利申请201810911865.1提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，其中量子随机数发生器包括脉冲激光器、干涉仪、光电探测器以及信号处理模块；脉冲激光器向干涉仪输出脉冲激光信号，脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；干涉仪使光程时间差满足预设条件的两路脉冲激光信号之间发生干涉，从而将脉冲激光信号的相位涨落转换为干涉光信号的强度涨落；由光电探测器将干涉光信号转换为模拟电信号；利用信号处理模块对模拟电信号进行处理，生成量子随机数；不需要单光子探测器，因此可以降低成本，而且量子随机数产生速率可以达到Gbps，大大提高了量子随机数的产生速率。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。相位噪声是对信号时序变化的一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声，如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f＝fo处。但相位噪声的出现，将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。抖动和相位噪声所描述的是同一现象的特征，如果能从相位噪声的测量结果中导出抖动的值将是有意义的。对于在量子随机数发生器中应用相位噪声采样或探测技术的相关文献未见公开。
另一方面，近年来，随着集成量子光学的发展，诸如光电探测器之类的很多量子光学所用的器件都发展并公开了集成在芯片上的方案，在这样的装置小型化发展趋势下，追求更高的真量子随机数产生速率，将相位噪声探测技术应用于量子随机数发生器的探索，对于控制和降低制造成本，也具有重要的研究价值。
发明内容
本发明的目的是提供芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，降低制造成本，实现设备小型化。
本发明的目的将通过以下技术措施来实现：芯片上集成光源驱动器、光源体、偏振控制器、前平衡MZI干涉仪、非平衡MZI干涉仪、后平衡MZI干涉仪、多模干涉器、光电二极管、跨阻放大器、模数转换器、提取器和热移相驱动器；其中，光源驱动器依次顺序连接光源体、偏振控制器、前平衡MZI干涉仪、非平衡MZI干涉仪、后平衡MZI干涉仪和多模干涉器，多模干涉器分别连接二路光电二极管，其中一路光电二极管进一步通过热移相驱动器分别同时连接回前平衡MZI干涉仪、非平衡MZI干涉仪、后平衡MZI干涉仪；另一路光电二极管进一步通过跨阻放大器顺序链接模数转换器和提取器；工作流程包括：光源驱动器驱动光源体在给定的功率下工作发出连续激光，经过偏振控制器之后通过光栅耦合器耦合到前平衡MZI干涉仪的一个输入波导中，另一个输入波导没有光信号输入，信号从前平衡MZI干涉仪输出后先后经过非平衡MZI干涉仪和后平衡MZI干涉仪后进入多模干涉器，多模干涉器的两个输出与两个光电二极管耦合，其中一个光电二极管与热移相驱动器连接，另一个光电二极管把光信号转换为电流信号后经过连接跨阻放大器转换为电压信号并放大，放大后的电压信号经过模数转换器采集后变为数字信号，数字信号经过提取器提取后输出随机数；提取器从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k。
尤其是，光源体为激光二极管或者VCSEL激光器。
尤其是，偏振控制器通过光栅耦合器耦合连接一个输入波导，该输入波导连接前平衡MZI干涉仪。
尤其是，前平衡MZI干涉仪、后平衡MZI干涉仪和多模干涉器的干涉臂高度对称，具有相同的长度和横截面积，共同起到一个可调分束器的作用。
尤其是，非平衡MZI干涉仪的两个干涉臂具有不同的长度，两者的延迟时间约为540皮秒。
尤其是，模数转换器的采集频率选定为200MHz，提取器的提取比例0.65，所以最终的随机数输出带宽为1.3Gbps。
尤其是，提取器为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器、HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法的随机性提取器。
尤其是，模数转换器采集的电压数据的方差主要由三部分构成，包括量子相位噪声、经典相位噪声和背景电场噪声，由如下公式表示：
σ2＝AC·P2+AQ·P+F；其中，AC和AQ分别表示经典相位噪声和量子相位噪声，P为激光的功率，F表示背景电场噪声，对于其中的量子相位噪声，定义量子噪声和经典噪声的比值：
在光源体功率为0.24mW时QCNR达到最大，为3.296；光源体在光源驱动器的驱动下在这一功率下工作；在进行数据提取之前需要根据最小熵来估算出可提取的随机数有多少，最小熵的计算公式如下：Hmin＝-log2(Pmax)；其中，Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.6位/采样，也就是说平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.6/8＝0.7位，据此设计的提取器为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为650，也就是说从1000位的输入序列中提取出650位的输出序列，其提取比例为0.65，小于之前要求的0.7，符合提取器对于熵值的要求。
本发明的优点和效果：在芯片上集成MZI、多模干涉器和光电二极管器件，具有很大的输出带宽，设备的典型尺寸小于1cm*1cm*0.3cm，实现小型化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施实例1中QCNR随着光源功率的变化图。
附图标记包括：
1-光源驱动器、2-光源体、3-偏振控制器、4-前平衡MZI干涉仪、5-非平衡MZI干涉仪、6-后平衡MZI干涉仪、7-多模干涉器、8-光电二极管、9-跨阻放大器、10-模数转换器、11-提取器、12-热移相驱动器。
具体实施方式
本发明原理在于，芯片上集成光源驱动器1、光源体2、偏振控制器3、前平衡MZI干涉仪4、非平衡MZI干涉仪5、后平衡MZI干涉仪6、多模干涉器7、光电二极管8、跨阻放大器9、模数转换器10、提取器11和热移相驱动器12；其中，光源驱动器1依次顺序连接光源体2、偏振控制器3、前平衡MZI干涉仪4、非平衡MZI干涉仪5、后平衡MZI干涉仪6和多模干涉器7，多模干涉器7分别连接二路光电二极管8，其中一路光电二极管8进一步通过热移相驱动器12分别同时连接回前平衡MZI干涉仪4、非平衡MZI干涉仪5、后平衡MZI干涉仪6；另一路光电二极管8进一步通过跨阻放大器9顺序链接模数转换器10和提取器11。
本发明中，提取器11从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k。
本发明包括：光源驱动器1、光源体2、偏振控制器3、前平衡MZI干涉仪4、非平衡MZI干涉仪5、后平衡MZI干涉仪6、多模干涉器7、光电二极管8、跨阻放大器9、模数转换器10、提取器11和热移相驱动器12。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：经过非平衡MZI干涉仪5之后，相位的波动转换为强度的波动，这一波动被光电二极管8转换成电流信号，再经过跨阻放大器9转换为电压信号并放大之后被模数转换器10采集，采集的电压数据的方差主要由三部分构成，包括量子相位噪声、经典相位噪声和背景电场噪声，可以由如下公式表示：
σ2＝AC·P2+AQ·P+F；其中，AC和AQ分别表示经典相位噪声和量子相位噪声，P为激光的功率，F表示背景电场噪声，而我们需要的正是其中的量子相位噪声，为了更好的描述这一噪声，这里定义了量子噪声和经典噪声的比值：
显然，QCNR的值越大表示方差中量子相位噪声的比例越大。因为AC、AP和F由激光光源和探测设备决定，在激光光源和探测设备不变的情况下，噪声的方差随着激光光源的功率变化而变化，因此需要激光光源有合适的功率以使得QCNR达到最大值。下表中给出了本实施例中几个参数的数值，根据这些参数可以得到QCNR随着光源体2功率的变化情况，如图2所示。从图中可知，在光源体2功率为0.24mW时QCNR达到最大，为3.296。光源体2在光源驱动器1的驱动下在这一功率下工作。
| 参数 | 数值 |
| AC(V/W<sup>2</sup>) | 21.449 |
| AQ(V/W) | 0.03557 |
| F(V) | 1.3577×10<sup>-6</sup> |
在进行数据提取之前需要根据最小熵来估算出可提取的随机数有多少，最小熵的计算公式如下：Hmin＝-log2(Pmax)；其中Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.6位/采样，也就是说平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器10的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.6/8＝0.7位，据此设计的提取器11为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为650，也就是说从1000位的输入序列中提取出650位的输出序列，其提取比例为0.65，小于之前要求的0.7，符合提取器11对于熵值的要求。
前述中，光源体2为激光二极管或者VCSEL激光器。
前述中，偏振控制器3通过光栅耦合器耦合连接一个输入波导，该输入波导连接前平衡MZI干涉仪4。
前述中，前平衡MZI干涉仪4、后平衡MZI干涉仪6和多模干涉器7的干涉臂高度对称，具有相同的长度和横截面积，共同起到一个可调分束器的作用。
前述中，非平衡MZI干涉仪5的两个干涉臂具有不同的长度，两者的延迟时间约为540皮秒。
前述中，模数转换器10的采集频率选定为200MHz，提取器11的提取比例0.65，所以最终的随机数输出带宽为1.3Gbps。
前述中，提取器11为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器、HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法的随机性提取器。
本发明实施例中，MZI Mach–Zehnder interferometer缩写，即马赫-曾德尔干涉仪。
本发明实施例中，光源驱动器1控制光源体2在给定的功率下工作，使得光电二极管8探测到的噪声中量子噪声的比例达到最大。偏振控制器3用于调整激光的偏振状态，以使得光信号更好的耦合进输入波导中。非平衡MZI干涉仪5把相位波动转换为强度波动，非平衡MZI干涉仪5两个干涉臂之间具有确定的时间延迟。前平衡MZI干涉仪4、后平衡MZI干涉仪6分别位于非平衡MZI干涉仪5前后，由热移相驱动器12来调整两个干涉臂的相对相位，起到一个反射率可调的分束器的作用。非平衡MZI干涉仪5把光信号的相位波动转换成强度波动，非平衡MZI干涉仪5两个干涉臂具有不同的长度。多模干涉器7对输入光进行干涉并进行输出，多模干涉器7两个输出具有相同的分光比。光电二极管8分别与多模干涉器7的两个输出波导耦合，把从输出波导输出的光信号转换成电流信号，其中一个光电二极管8的信号传给热移相驱动器，另一个光电二极管8的信号传给跨阻放大器9。跨阻放大器9把输入的电流信号转换成电压信号并进行放大，然后传送给模数转换器10。模数转换器10把输入的电压信号进行模数转换得到数字信号并传给提取器11。提取器11从输入的数字信号中提取随机数并输出。热移相驱动器12能够调整前平衡MZI干涉仪4、非平衡MZI干涉仪5、后平衡MZI干涉仪6中干涉臂之间的相对相位。
本发明实施例中，使用的集成在芯片上的器件相比大体积的独立器件会有一些额外的损耗，比如波导相比光纤会有一些额外的损耗，为此，前平衡MZI干涉仪4与后平衡MZI干涉仪6干涉臂具有相同的长度，结合使用热移相驱动器12可以调整两个干涉臂间信号的相对相位，起到一个反射率可调的分束器的作用。
本发明实施例中，非平衡MZI干涉仪5的两个干涉臂的延迟时间的选择是综合考虑激光的相干时间和模数转换器的采样频率来确定的。一方面，延迟时间需要小于激光的相干时间，而相位噪声的方差与延迟时间成正比与相干时间成反比，对于相干时间确定的激光，延迟时间越大相位噪声的方差越大即相位波动越大。另一方面，较小的延迟时间需要高速的跨阻放大器来匹配，而这会给设计带来困难。综合考虑这些，540皮秒的时间是一个比较合适的选择。
本发明实施例中，工作流程包括：光源驱动器1驱动光源体2在给定的功率下工作发出连续激光，经过偏振控制器3之后通过光栅耦合器耦合到前平衡MZI干涉仪4的一个输入波导中，另一个输入波导没有光信号输入，信号从前平衡MZI干涉仪4输出后先后经过非平衡MZI干涉仪5和后平衡MZI干涉仪6后进入多模干涉器7，多模干涉器7的两个输出与两个光电二极管8耦合，其中一个光电二极管8与热移相驱动器12连接，另一个光电二极管8把光信号转换为电流信号后经过连接跨阻放大器9转换为电压信号并放大，放大后的电压信号经过模数转换器10采集后变为数字信号，数字信号经过提取器11提取后输出随机数。
Claims (8)
1.芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器,其特征在于，芯片上集成光源驱动器(1)、光源体(2)、偏振控制器(3)、前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)、多模干涉器(7)、光电二极管(8)、跨阻放大器(9)、模数转换器(10)、提取器(11)和热移相驱动器(12)；其中，光源驱动器(1)依次顺序连接光源体(2)、偏振控制器(3)、前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)和多模干涉器(7)，多模干涉器(7)分别连接二路光电二极管(8)，其中一路光电二极管(8)进一步通过热移相驱动器(12)分别同时连接回前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)；另一路光电二极管(8)进一步通过跨阻放大器(9)顺序链接模数转换器(10)和提取器(11)；工作流程包括：光源驱动器(1)驱动光源体(2)在给定的功率下工作发出连续激光，经过偏振控制器(3)之后通过光栅耦合器耦合到前平衡MZI干涉仪(4)的一个输入波导中，另一个输入波导没有光信号输入，信号从前平衡MZI干涉仪(4)输出后先后经过非平衡MZI干涉仪(5)和后平衡MZI干涉仪(6)后进入多模干涉器(7)，多模干涉器(7)的两个输出与两个光电二极管(8)耦合，其中一个光电二极管(8)与热移相驱动器(12)连接，另一个光电二极管(8)把光信号转换为电流信号后经过连接跨阻放大器(9)转换为电压信号并放大，放大后的电压信号经过模数转换器(10)采集后变为数字信号，数字信号经过提取器(11)提取后输出随机数；提取器(11)从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k。
2.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，光源体(2)为激光二极管或者VCSEL激光器。
3.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，偏振控制器(3)通过光栅耦合器耦合连接一个输入波导，该输入波导连接前平衡MZI干涉仪(4)。
4.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，前平衡MZI干涉仪(4)、后平衡MZI干涉仪(6)和多模干涉器(7)的干涉臂高度对称，具有相同的长度和横截面积，共同起到一个可调分束器的作用。
5.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，非平衡MZI干涉仪(5)的两个干涉臂具有不同的长度，两者的延迟时间约为540皮秒。
6.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，模数转换器(10)的采集频率选定为200MHz，提取器(11)的提取比例0.65，所以最终的随机数输出带宽为1.3Gbps。
7.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，提取器(11)为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器、HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法的随机性提取器。
8.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，模数转换器(10)采集的电压数据的方差主要由三部分构成，包括量子相位噪声、经典相位噪声和背景电场噪声，由如下公式表示：
σ2＝AC·P2+AQ·P+F；
其中，AC和AQ分别表示经典相位噪声和量子相位噪声，P为激光的功率，F表示背景电场噪声，对于其中的量子相位噪声，定义量子噪声和经典噪声的比值：
在光源体(2)功率为0.24mW时QCNR达到最大，为3.296；光源体(2)在光源驱动器(1)的驱动下在这一功率下工作；在进行数据提取之前需要根据最小熵来估算出可提取的随机数有多少，最小熵的计算公式如下：Hmin＝-log2(Pmax)；其中，Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.6位/采样，也就是说平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器(10)的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.6/8＝0.7位，据此设计的提取器(11)为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为650，也就是说从1000位的输入序列中提取出650位的输出序列，其提取比例为0.65，小于之前要求的0.7，符合提取器(11)对于熵值的要求。
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