CN110286877B - 一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信领域，提供了一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，包括以下步骤：S1、通过调节第一半波片增加本底光的强度，使量子和经典噪声比QCNR提高到16以上；S2、设置模数转换器的采样速率，使其不超过低通滤波器带宽的两倍；S3、通过调节可调电放大器的放大倍数，使输出到模数转换器的电压幅值大于模数转换器的采样电压范围，然后，对采样结果的时序进行高斯统计得到统计分布图，并观察记录统计分布图中边帧和中间幅值的高度；然后不断调节电放大器的放大倍数，直至边帧高度小于中间峰值的高度；S4、调节完成后，利用现场可编辑门阵列经行量子随机数提取。本发明可以提高随机数发生器的量子熵含量。

Description

一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法

技术领域

本发明属于量子通信领域，具体涉及一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法。

背景技术

现代信息科学中随机性有着很重要的作用，加密是建立在信任随机数的基础上，其中在通讯系统等密码学中也有着广泛的应用。众多的应用对密码学中是否真随机提出了严格的要求，所以对于产生随机数的建议也是多种多样，各个建议都尽可能够提供随机性的可验证性和真随机性。在过去的二十年中，各式各样的量子随机数发生器有着巨大的发展，在世界上许多国家已经取得了丰硕的研究成果。随机性的信息论可证明性是量子随机数最大的特点，基于量子真空状态零差测量的随机数生成技术在实际应用中尤其具有吸引力，例如噪声源可以是光场在室温下的初始状态，以及高效率的光电二极管都可以应用。基于真空态随机数的产生具有更高的保密性，真空态不受到外界物理量的影响并且它不能被攻击者控制或关联，所以可以测量随机数的正交振幅。激光源、分束器和光电探测器，都可以在单片机上进集成，同时，现场可编程门阵列(FPGA)内部的虚拟“硬件”易于实现位转换和后处理。在过去的研究中，对于提高生成随机比特率中有着很多建议，其中基于优化计划的数字算法，实现快速后处理，提高原始数据中的量子熵。在考虑到经典噪声的影响时，在最优动态模数转换范围下探讨基于真空的量子随机数发生器中零差增益对增强量子熵的作用，利用条件最小熵对量子随机数发生器中的量子熵进行了评价。它是随机性提取器的关键输入参数，决定了从原始随机序列中提取真实随机性的比例，从而显著影响量子随机数生成器的生成速度。现在获得量子随机数的方法有很多种，其中：（1）一种高速后处理自由的量子随机数发生器[参考文献Appl. Phys. Lett. 93, 031109(2008)]，但实验装置比较简单，随机数发生器的安全性低，没有考虑到被测信号面向偏压攻击分布的问题，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PHYSICALREVIEW E 85, 016211 (2012)]提高了随机数发生器的零差增益，没有考虑到电子增益带来的放大噪声，造成可提取熵含量偏低。所以本发明具体解决了在最优动态范围下提高零差系统的局部增益，保证了随机数发生器的安全性和可提取熵含量的提升。综上所述，现有的量子随机数存在着被窃听者攻击的可能，而且量子熵的提取率较低。因此，通过增强本底光功率，得到更高的量子与电子噪声比，在量子保密通讯中有着很好的前景。随着通信技术的发展，对量子随机数的保密性提出了更高的要求。因此，如何提高量子可提取熵，仍还是需要探究的问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种提高真空量子态平衡零拍探测系统的本底光增益的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，所述量子随机数发生器包括激光发射器、第一半波片、第一偏振立方分束器、可调反射镜、反射镜、平衡零拍探测系统、混频器、低通滤波器、模数转换器、可调的电放大器和现场可编辑门阵列，所述激光发射器发出的激光经所述第一半波片、第一偏振立方分束器后分为本底光和信号光，信号光经反射镜后入射到平衡零拍探测系统，本底光经可调反射镜后入射到平衡零拍探测系统，所述平衡零拍探测系统探测得到的探测信号经所述混频器、低通滤波器、可调的电放大器、模数转换器后输送到现场可编辑门阵列；所述方法包括以下步骤：

S1、通过调节第一半波片增加本底光的强度，使量子和经典噪声比QCNR提高到16以上；

S2、设置模数转换器的采样速率，使其不超过低通滤波器带宽的两倍；

S3、通过调节可调电放大器的放大倍数，使输出到模数转换器的电压幅值大于模数转换器的采样电压范围，然后，对采样结果的时序进行高斯统计得到统计分布图，并观察记录统计分布图中边帧和中间幅值的高度；然后不断调节电放大器的放大倍数，直至边帧高度小于中间峰值的高度；

S4、调节完成后，利用现场可编辑门阵列经行量子随机数提取。

所述现场可编辑门阵列进行量子随机数提取的方法为：采用广义hash提取算法实时提取量子随机数。

所述平衡零拍探测系统包括第二偏振立方分束器、第一透镜、第二透镜、第二半波片、第三半波片、第一光电探测器、第二光电探测器和差分器，所述信号光经所述第二半波片和第二偏振立方分束器后分为功率相等的两束信号光，所述本底光经所述第三半波片和第二偏振立方分束器后也分为功率相等的两束本底光，其中一束信号光和一束本底光经第一透镜会聚后被所述第一光电探测器探测，另一束信号光和另一束本底光经第二透镜会聚后被第二探测器探测，第一探测器和第二探测器输出的信号经所述差分器进行处理后输出到所述混频器。

所述可调反射镜上设置有压电陶瓷。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明实现了真空噪声随机数发生器可提取量子熵含量的有效提高，首先，利用量子信号的概率密度函数预测最小熵，在最优采样范围情况下，找到零差测量系统中的量子和经典噪声比；同时，通过增强平衡零拍探测系统的本底光，最后通过拓普利兹处理，进行随机数测试，证明了此方案的随机数的可验证性和真随机性。

（2）本发明通过实现在最优动态模数转换范围，零差系统的局部增益和电子增益，提高本底光的功率，实现基于真空噪声的随机数发生器可提取量子熵的有效提高。在量子真空噪声带宽无限大的基础上，使用大动态范围，中等暂态增益的零差系统，以实现更高的正空正交本振放大和更宽的检测带宽。

（3）本发明实现真空噪声随机数发生器可提取量子熵的有效提高，为真空量子随机数发生器可提取熵的提高提供新的途径。为其在量子保密通讯方案中的实际应用提供了进一步的保证；可广泛应用于国家科技及信息安全等领域，尤其是在绝对安全的保密通讯中。

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 是本振功率为6mw时放大的真空噪声功率谱；

图3 中QCNR是LO功率的函数，以及探测器测到的信号经过混频、滤波得到量子噪声的时序，对时序进行高斯统计相应的统计图；

图4为本发明实施例得到的最佳统计结果下的统计图；

图5 是NIST(美国国家标准技术研究所，National Institute of Standards andTechnology) 测试的结果。

图中：1-半导体激光器；2-半波；3-第一偏振立方分束器；4-可调反射镜；5-反射镜；6-第二偏振立方分束器；7-第一透镜；8-第二透镜；9-第二光电探测器；10-第一光电探测器；11-差分器；12-射频信号发生器；13-混频器；14-低通滤波器；15-模数转换器；16-电放大器；17-现场可编辑门阵列，18-第二半波片；19第三半波片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，如图1所示，所述量子随机数发生器包括激光发射器1、第一半波片2、第一偏振立方分束器3、可调反射镜4、反射镜5、平衡零拍探测系统、混频器13、低通滤波器14、模数转换器15、电放大器16和现场可编辑门阵列17，所述激光发射器1发出的激光经所述第一半波片2、第一偏振立方分束器3后分为本底光和信号光，信号光经反射镜5后入射到平衡零拍探测系统，本底光经可调反射镜4后入射到平衡零拍探测系统，所述平衡零拍探测系统探测得到的探测信号经所述混频器14、低通滤波器14后输送到电放大器16来调节放大倍数，来控制输出到模数转换器15的电压幅值，最后输送到现场可编辑门阵列17。

具体地，本实施例中，所述平衡零拍探测系统包括第二偏振立方分束器6、第一透镜7、第二透镜8、第二半波片18、第三半波片19、第一光电探测器10、第二光电探测器9和差分器11，所述信号光经所述第二半波片18和第二偏振立方分束器6后分为功率相等的两束信号光，所述本底光经所述第三半波片19和第二偏振立方分束器6后也分为功率相等的两束本底光，其中一束信号光和一束本底光经第一透镜7会聚后被所述第一光电探测器10探测，另一束信号光和另一束本底光经第二透镜8会聚后被第二探测器9探测，第一探测器和第二探测器输出的信号经所述差分器11进行处理后输出到所述混频器13。

具体地，本发明实施例中，所述可调反射镜4上设置有PZT锆钛酸铅压电陶瓷。

本发明实施例提出的所述方法包括以下步骤：

S1、搭建测量光场量子态的平衡零拍探测系统，并通过调节第一半波片2分光系统增加本底光的强度，使量子和经典噪声比QCNR提高到16以上。

本实施例中，激光器1采用1550nm激光二极管，其采用低噪声恒温驱动，0.1mA热电温度控制，采用偏振分束器6实现了精确的50/50分束。单模连续波激光束从激光器入射到分束器的一个端口充当本底光LO的作用，而另一个端口通过反射镜5反射信号光，信号光和LO干涉作用于对称分束器6，形成功率均衡的两束输出光。输出由平衡零差检测器9和10同时检测，消除LO中的共模噪声，同时放大真空状态的正交振幅。光信号经过混频器13转换为电信号，然后通过低通滤波器14 50~500MHz的截止频率，再由模数转换15送至现场可编辑门阵列17处理。真空状态的正交振幅是随机波动的，与任何外部物理量无关。平衡零拍探测系统的电增益放大量子涨落的同时会放大系统电子学噪声，而本底光对量子起伏的放大作用独立于电子学噪声，在偏振分束器3前旋转第一半波片2，LO的功率受到每个光电探测器9和10逐渐增大的影响，通过提升本底光增益，使得QCNR(量子和经典噪声比)得到显著提高，其中QCNR作为由测量信噪比电平计算出的LO功率的函数，如图3所示，为本实施例中本底光功率与QCNR之间的曲线关系图。

S2、设置模数转换器的采样速率，使其不超过低通滤波器14带宽的两倍，使模数转换范围达到最优。

本实施例中，模数转换器的采样速率上限为低通滤波器14频段的两倍，避免了样本间的时间相关性。

测量系统中不可避免的经典噪声漂移将导致测量信号概率分布的非零均值，而边帧太多会产生较多的0，1比特串（连续的0和1），导致原始随机数随机性质量下降，需要进行更多的后处理步骤。所以要尽可能的采取全n位采样（调整模拟信号的幅度和ADC动态范围）。

S3、低通滤波器后设置有一个可调的电放大器，通过调节可调电放大器16的放大倍数，使输出到模数转换器15的电压幅值大于模数转换器15的采样电压范围，然后，对采样结果的时序进行高斯统计得到统计分布图，并观察记录统计分布图中边帧的高度，然后调节电放大器16的放大倍数，直至边帧高度小于中间峰值的高度，如图4所示；此时，采样的统计结果达到最佳（边帧的高度小于中间峰值的高度）。

本实施例中，探测器测到的信号经过混频、滤波可以得到量子噪声的时序，该时序经模数转换器进行采样后发送给现场可编辑门阵列17，现场可编辑门阵列17对时序进行高斯统计以生成相应的统计图。

通过合理选择模数转换范围和微调本底强度，最后观察边帧不超过峰的高度，确定边帧控制在允许的统计偏差范围内。在最优模数转换动态范围条件下，基于平衡零拍探测放大真空态分量起伏的统计分布特性精确评估原始随机数量子条件最小熵含量。利用平衡零拍探测系统可以测量一个光场的正交位相分量，两个信号经过差分器相减后，通过扫描可调反射镜4上的压电陶瓷，改变两个信号的相对位相，就可以得到每个相位下的边缘分布来完全重建量子态。首先采用光学零差层析成像的方法确定放大真空态的相空间旋转不变性，在此前提下无需锁定本底光相对相位，采集数据进行统计分析，服从的高斯分布可看作真空态全息重构的任一边缘分布。在最优化采样范围前提下，对采集到的噪声信号进行统计分析，通过量子信号的高斯拟合真空噪声分布和电子学噪声分布计算其方差与相应的QCNR，基于ADC区间离散化的概率分布来获取最小熵中的最大概率。条件最小熵设定了原始测量中可提取随机性的下界，量化了每个样本所具有的最小随机性。

S4、调节完成后，利用现场可编辑门阵列17经行量子随机数提取。

本实施例中，采用安全性信息论可证明的广义hash提取算法实时提取量子随机数，在现场可编辑门阵列17上构造，从原始数据中提取真实的随机性，均匀化高斯偏置二值流。二进制托普利兹矩阵构造m×n的随机比特。通过采用hash提取器提取。最后记录1Gbit大小的数据进行随机测试,并设置高安全系数。如图5所示，本发明通过NIST（NationalInstitute of Standards and Technology）测试了证明本方案的可行性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，其特征在于，所述量子随机数发生器包括激光发射器（1）、第一半波片（2）、第一偏振立方分束器（3）、可调反射镜（4）、反射镜（5）、平衡零拍探测系统、混频器（13）、低通滤波器（14）、模数转换器（15）、可调电放大器（16）和现场可编辑门阵列（17），所述激光发射器（1）发出的激光经所述第一半波片（2）、第一偏振立方分束器（3）后分为本底光和信号光，信号光经反射镜（5）后入射到平衡零拍探测系统，本底光经可调反射镜（4）后入射到平衡零拍探测系统，所述平衡零拍探测系统探测得到的探测信号经所述混频器（13）、低通滤波器（14）、可调的电放大器（16）、模数转换器（15）后输送到现场可编辑门阵列（17）；所述方法包括以下步骤：

S1、通过调节第一半波片（2）增加本底光的强度，使量子和经典噪声比QCNR提高到16以上；

S2、设置模数转换器（15）的采样速率，使其不超过低通滤波器（14）带宽的两倍；

S3、通过调节可调电放大器（16）的放大倍数，使输出到模数转换器（15）的电压幅值大于模数转换器（15）的采样电压范围，然后，对采样结果的时序进行高斯统计得到统计分布图，并观察记录统计分布图中边帧和中间幅值的高度；然后不断调节电放大器的放大倍数，直至边帧高度小于中间峰值的高度；

S4、调节完成后，利用现场可编辑门阵列（17）进行量子随机数提取；

所述平衡零拍探测系统包括第二偏振立方分束器（6）、第一透镜（7）、第二透镜（8）、第二半波片（18）、第三半波片（19）、第一光电探测器（10）、第二光电探测器（9）和差分器（11），所述信号光经所述第二半波片（18）和第二偏振立方分束器（6）后分为功率相等的两束信号光，所述本底光经所述第三半波片（19）和第二偏振立方分束器（6）后也分为功率相等的两束本底光，其中一束信号光和一束本底光经第一透镜（7）会聚后被所述第一光电探测器（10）探测，另一束信号光和另一束本底光经第二透镜（8）会聚后被第二光电探测器（9）探测，第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号经所述差分器（11）进行处理后输出到所述混频器（13）。

2.根据权利要求1所述的一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，其特征在于，所述现场可编辑门阵列（17）进行量子随机数提取的方法为：采用广义hash提取算法实时提取量子随机数。

3.根据权利要求1所述的一种提高量子随机数发生器量子熵含量的方法，其特征在于，所述可调反射镜（4）上设置有压电陶瓷。

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