CN110569022B - 全硅基cmos量子随机数发生装置 - Google Patents

Abstract

全硅基CMOS量子随机数发生装置，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED(4)、CMOS传感器(3)、处理器(5)和LED控制电路(6)，以随机的光子数作为随机源，在单片集成电路中实现量子真随机数发生系统；从而降低生产成本，实现量子随机数芯片的小型化。使用标准CMOS工艺，方便将全部组成部分集成制造在硅基衬底上，通过提高CMOS传感器的探测频率和增加CMOS传感器的像素数量来提高随机数的输出速率；提供与已知技术的随机数生成器相比，制造真随机数生成器，降低后处理的难度，提高系统稳定性，工艺简捷，能耗少，价格低廉；结构更加简明紧凑。

Description

全硅基CMOS量子随机数发生装置

技术领域

本发明涉及量子随机数生成技术，属于IPC分类G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术领域，尤其是全硅基CMOS量子随机数发生装置。

背景技术

随机数是专门的随机试验的结果。随机数在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多的领域中有着广泛的应用。在统计学的不同技术中需要使用随机数，比如在从统计总体中抽取有代表性的样本的时候，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算的时候等等。

产生随机数有多种不同的方法中，利用量子物理过程内在的不确定性生成随机数的量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator，QRNG)在近些年来越来越受到重视，出现了多种实现方案。在这些QRNG中，通常采用激光二极管(Laser diode， LD)或发光二极管(Light emitting diode，LED)作为光源。使用LD作为光源的方案中，装置通常都是结构复杂、价格昂贵、整体尺寸大，并且不能作为单片集成电路来实现。而在使用LED作为光源的方案中，大都是采用非硅基LED来产生单光子的，其中LED是作为分立元件存在的，因此它们不能和探测器一样用传统的CMOS工艺实现，而只是集成在一起，从而使设备复杂且体积较大。

目前，LED芯片技术主要包括三类：蓝宝石衬底技术、碳化硅衬底技术和硅衬底技术。这三种主流技术路线中，蓝宝石衬底LED为市场主流，碳化硅衬底LED虽然技术上有一些优势但由于价格昂贵降低了其竞争力，硅衬底LED相比前两种衬底最大优势在于可与硅电子元件整合和低成本，近年来受到了广泛的关注。尤其是与标准CMOS工艺兼容的硅基LED的出现，方便了硅基LED与其他器件的集成。

Khanmohammadi、Enne和Hofbauer等人在发表于IEEE Photonics Journal[J],2015,7:1-13.文章“A Monolithic Silicon Quantum Random Number Generator Basedon Measurement of Photon Detection Time”中提出了一种单片硅上实现QRNG的方法，然而其使用的是高压CMOS工艺实现的。

Bisadi、Meneghetti和Tomasi等人在发表于physica status solidi(a)[J],2016,213:3186-3193.文章“Generation of high quality random numbers via an all-silicon-based approach”提出了一种全硅基的QRNG方法，然而文中装置是由模块和仪器组成的，并没有在单片集成电路中实现。

特伦蒂诺发展公司提出的中国专利申请201580041632.5，公开了一种随机数生成器，其包括光子源和被配置成检测等于λ的光子流的一个或更多个SPAD型光子检测器，其中，光子由光子源生成。随机数生成器还包括电子采样装置。电子采样装置被配置成使得在观察窗Tw中的每个观察窗内检测入射在每个SPAD光子检测器上的光子的到达时间t，并且还被配置成使得将到达时间t转换成二进制序列。在本发明的生成器中，光子源和电子采样装置被配置成使得乘积λ*Tw小于或等于0.01。

中国科学技术大学201810593130.9公开了一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路；其中：所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器。

以上这些都是基于SPAD的全硅基方案，然而，SPAD需要较高的工作电压，工作电压通常在十几伏特到几十伏特之，这对于设备的供电具有比较高的要求，从而导致其应用不方便。近年来也出现基于CMOS图像传感器的QRNG方案，比如弦海(上海)量子科技有限公司提出的中国专利申请201811420139.6，但其中LED是作为分立元件存在的，因此它们不能和探测器一样用传统的CMOS工艺实现，而只是集成在一起，从而使设备复杂且体积较大。

发明内容

本发明的目的是提供全硅基CMOS量子随机数发生装置，光源、探测器和后处理模块全部使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造成单片集成电路，从而降低生产成本，实现量子随机数芯片的小型化。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED、CMOS传感器、处理器和LED控制电路，在单片集成电路中实现；CMOS像素阵列包含有至少一个像素，接收光子并转换成电信号；CMOS传感器包括CMOS像素阵列和至少一个模数转换器；至少一个硅基LED作为光源，位于CMOS传感器的一侧或周围；CMOS传感器的CMOS像素阵列采集到的光子数数据发送给处理器5做进一步处理；LED控制电路驱动硅基LED发光，并根据处理器5发送的控制信号调整硅基LED 的发光强度；模数转换器将电信号转换成数字信号，并发送给处理器做进一步的处理；处理器对接收到的原始数据选取至少一个最低位作为随机数并进行输出；处理器周期性统计每个像素吸收的光子数的平均值并计算平均值和方差比值，把每个像素的平均值以及平均值和方差的比值与预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值以及平均值和方差的比值处于阈值区间之内则使用该像素的数据来得到随机数，否则舍弃该像素的数据；如果平均光子数处于阈值之外的像素数量超过一定数量，则发送控制信号给LED控制电路调整硅基LED 发光强度；根据硅基LED随机发射光子并且光子数分布符合泊松分布的特性，以这一随机的光子数作为随机源；平均光子数足够大的情况下，通过这一方法可以得到随机并均匀分布的0、1比特序列；选取光子数数据的最后四位作为随机数；降低后处理的难度，以便于扩展得到很高的随机数输出速率；通过调整硅基LED光源的工作电流使得每个像素吸收的平均光子数保持在500左右；单个电子的转换电压和ADC相匹配，能够使得在CMOS 的线性工作区间内CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位；CMOS 传感器在线性工作区间内做到电子-数字转换比例刚好是1。

尤其是，在CMOS传感器、硅基LED、处理器和LED控制电路集成的芯片中， CMOS传感器硅基LED外侧封装均光材料，在均光材料表面有反射层；硅基LED和CMOS传感器组成一个反射结构，硅基LED发出的光经由具有折射、反射和散射光线特性的均光材料照射到CMOS像素阵列上。

尤其是，处理器使用提取器对原始数据直接进行提取得到最终的随机数；提取器选自Toeplitz提取器、Trevisan提取器或者其他信息论意义上安全的提取器。

尤其是，CMOS像素阵列在线性工作区间CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位，即电子-数字转换比例为1。

尤其是，CMOS传感器的相关参数为：分辨率240*240，帧率100，曝光时间 20μs，单像素输出位10位，随机数的输出最大可达到23Mbps。

尤其是，硅基LED为与标准CMOS工艺兼容发光器件。

尤其是，处理器中数据后处理方法为在选取原始数据的一个或多个最低位得到的数据基础上，再使用提取器进行提取得到最终的随机数。

尤其是，CMOS传感器为使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造的光子计数传感器。

本发明的优点和效果：使用标准CMOS工艺，方便将全部组成部分集成制造在硅基衬底上，通过提高CMOS传感器的探测频率和增加CMOS传感器的像素数量来提高随机数的输出速率；提供与已知技术的随机数生成器相比，制造真随机数生成器，工艺简捷，能耗少，价格低廉；结构更加简明紧凑。

附图说明

图1本发明中QRNG整体结构原理示意图。

图2本发明实施例中硅基LED和CMOS传感器封装结构示意图。

附图标记包括：

1-反射层、2-均光材料、3-CMOS传感器、4-硅基LED、5-处理器、6-LED 控制电路、31-CMOS像素阵列、32-模数转换器。

具体实施方式

本发明原理在于，根据硅基LED 4随机发射光子并且光子数分布符合泊松分布的特性，时间间隔T内由光源发射的光子数的概率分布为：

其中，

为时间间隔T中发射的平均光子数，其标准差为

由量子物理理论可知，这一光子数在测量之前是完全未知的且从根本上是不可预测的，本发明以这一随机的光子数作为随机源。

按照如公式(1)所述的泊松分布，如果选取光子数数据的最后一位作为随机数，则输出比特1和比特0的概率分别为：

可以看出，以上种方法得到的随机比特序列中0、1的分布距离均匀分布的偏差是：

可以看出这一偏差随着平均光子数

增大而快速减小；当平均光子数足够大的时候这一偏差会变的非常小，比如，当平均光子数

的时候，这一偏差为1.03×10^-9，当平均光子数继续增大时这一偏差会进一步减小。所以，在平均光子数足够大的情况下，通过这一方法可以得到随机并均匀分布的0、1比特序列。

进一步的，选取后两位、三位甚至四位的数据作为随机数，在平均光子数较大的时候同样可以得到随机并均匀分布的0、1比特序列，这样，使得每个像素一次探测能够得到更多的随机数；为了提高数据输出速率，选取光子数数据的最后四位作为随机数。

相比于根据原始数据最小熵使用提取器得到随机数的后处理方法，本发明中的这种简单的后处理方法能够大大降低后处理的难度，以便于扩展得到很高的随机数输出速率。

本发明中，在平均光子数很低的情况，系统噪声对原始数据的影响会非常大；而在平均光子数很大接近饱和的情况，也会降低原始数据的随机性，为此，本发明中通过调整硅基LED 4光源的工作电流使得每个像素吸收的平均光子数保持在500左右。由于硅基LED 4发光效率变化、CMOS量子效率变化等因素的影响，会使得像素的平均光子数偏离预设值，为确保像素的平均光子数处于合适的区间，处理器5周期性的统计每个像素吸收的光子数的平均值，把每个像素的平均值与预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值处于阈值区间之内则使用该像素的数据来得到随机数，否则舍弃该像素的数据。此外，为确保大多数像素的平均光子数处于阈值区间之内，在平均光子数处于阈值之外像的素数量超过一定数量时，发送控制信号给LED控制电路6调整硅基LED 4发光强度。

本发明中，为了能够很好的采集光子数的泊松分布信息，CMOS传感器3除了在吸收光子数非常小和吸收光子数接近饱和时之外，还具有大范围的线性工作区间，并且， CMOS像素中进行电荷测量时使用电容值非常小的电容，使得单个电子的转换电压足够大，不需要再经过放大器的放大就能够被模数转换器32即ADC分辨出来，简化了电路结构并且避免了放大器引入的额外误差。单个电子的转换电压和ADC相匹配，能够使得在CMOS 的线性工作区间内CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位。

本发明中的CMOS传感器3在线性工作区间内做到电子-数字转换比例刚好是1，如果转换比例小于1则不能完整的收集泊松分布的信息，而如果转换比例大于1，虽然能够完成的采集泊松分布的信息但原始数据的分布并不是泊松分布。此外，如果转换比例不等于1，则不再适用本发明的数据处理方法。

本发明中，如附图1所示，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED 4、CMOS传感器3、处理器5和LED控制电路6，在单片集成电路中实现； CMOS像素阵列31包含有至少一个像素，接收光子并转换成电信号。

本发明中，上述方案可以大幅度缩小量子随机数系统的体积，提高系统稳定性和输出速率，同时可以降低成本。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，如附图1和2所示；在CMOS传感器3、硅基LED 4、处理器5和LED控制电路6集成的芯片中，CMOS传感器3硅基LED 4外侧封装均光材料2，在均光材料2表面有反射层1；CMOS传感器3包括CMOS像素阵列31和至少一个模数转换器32；至少一个硅基LED 4作为光源，位于CMOS传感器3的一侧或周围；CMOS传感器 3的CMOS像素阵列31采集到的光子数数据发送给处理器5做进一步处理；LED控制电路6 驱动硅基LED 4发光，并根据处理器5发送的控制信号调整硅基LED 4的发光强度；模数转换器32将电信号转换成数字信号，并发送给处理器5做进一步的处理；处理器5对接收到的原始数据选取至少一个最低位作为随机数并进行输出；处理器5周期性统计每个像素吸收的光子数的平均值并计算平均值和方差比值，把每个像素的平均值以及平均值和方差的比值与预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值以及平均值和方差的比值处于阈值区间之内则使用该像素的数据来得到随机数，否则舍弃该像素的数据；如果平均光子数处于阈值之外的像素数量超过一定数量，则发送控制信号给LED控制电路6调整硅基LED 4 发光强度。

前述中，硅基LED 4和CMOS传感器3组成一个反射结构，硅基LED 4发出的光经由具有折射、反射和散射光线特性的均光材料2照射到CMOS像素阵列31上，均光材料2外覆盖一个反射层1，使得硅基LED4发出的光均匀的照射在CMOS传感器3上并且防止外部光源的影响。

本发明实施例中，光源模块为硅基LED 4，探测器模块为CMOS传感器3，后处理模块为处理器5；模数转换器32即analog to digital converter，ADC。

本发明实施例中，CMOS像素阵列31在线性工作区间CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位，即电子-数字转换比例为1。

本发明实施例中，如附图2所示，给出单个硅基LED 4和CMOS传感器3结构和光传播关系，硅基LED 4和CMOS传感器3组成一个反射结构，硅基LED 4发出的光经由具有折射、反射和散射光线特性的均光材料2照射到CMOS像素阵列31上，均光材料2 外覆盖一个反射层1，使得硅基LED 4发出的光均匀的照射在CMOS传感器3上，并且，反射结构防止外部光源的影响。这一反射结构在芯片制造过程中，可以直接完成，而不是在封装过程中完成，能够降低芯片的体积和复杂度，并能够更容易的同其他使用标准CMOS 工艺制作的集成电路进行集成。

本发明实施例中，现实器件难以做到完美，CMOS传感器中会有一些坏点像素存在，不论照射光的强度如何变化，每个坏点的输出数据在平均值附近很小的范围内波动，这些坏点的存在降低了原始数据的随机性，所以需要找出并剔除这些坏点的数据。由于坏点的平均值并不固定，一些坏点的平均值可能位于预设的区间之内，所以，仅通过上述平均值的方法难以剔除这些坏点的数据，为此，在处理器5周期性的统计每个像素吸收的光子数的平均值时，也计算平均值和方差比值。

本发明实施例中，CMOS传感器3的相关参数为：

参数	数值
		分辨率	240*240
帧率	100
		曝光时间	20μs
单像素输出位	10

使用的CMOS传感器3参数如上表所示，根据之前所述可以得出本实施例中随机数的输出最大可达到23Mbps。显而易见的是，可以通过增加CMOS传感器3的像素数量和增加CMOS的帧率来提高随机数的输出，比如像素数量增加10倍，同时帧率也提高10 倍，则最终的随机数输出最大可达到2.3Gbps。

本发明实施例中，可以使用提取器对原始数据直接进行提取得到最终的随机数，这种方法需要对原始数据的最小熵进行评估然后设计合适的提取器进行提取，提取的比例相对较低导致计算量比较大；也可以对选取原始数据的一个或多个最低位得到的数据使用提取器进行提取得到最终的随机数，这种方法由于通过选取最低位得到的数据可以看作是随机的，所以提取比例可以很大计算量比直接进行提取也有所降低。提取器选自 Toeplitz提取器、Trevisan提取器或者其他信息论意义上安全的提取器。

以上实施例仅是结合优选实施方式对本发明进行的说明和描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计原理的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，甚至是变劣实施，例如，硅基LED 4可以替换为与标准CMOS 工艺兼容的LD或者其他发光器件；或者，处理器5中数据后处理方法可以替换为使用提取器对原始数据直接进行提取得到最终的随机数；或者，处理器5中数据后处理方法可以替换为在选取原始数据的一个或多个最低位得到的数据基础上，再使用提取器进行提取得到最终的随机数；或者，CMOS传感器3可替换为其他的使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造的光子计数传感器；这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED(4)、CMOS传感器(3)、处理器(5)和LED控制电路(6)，在单片集成电路中实现；CMOS像素阵列(31)包含有至少一个像素，接收光子并转换成电信号；CMOS传感器(3)包括CMOS像素阵列(31)和至少一个模数转换器(32)；至少一个硅基LED(4)作为光源，位于CMOS传感器(3)的一侧或周围；CMOS传感器(3)的CMOS像素阵列(31)采集到的光子数数据发送给处理器(5)做进一步处理；LED控制电路(6)驱动硅基LED(4)发光，并根据处理器(5)发送的控制信号调整硅基LED(4)的发光强度；模数转换器(32)将电信号转换成数字信号，并发送给处理器(5)做进一步的处理；处理器(5)对接收到的原始数据选取至少一个最低位作为随机数并进行输出；处理器(5)周期性统计每个像素吸收的光子数的平均值并计算平均值和方差比值，把每个像素的平均值以及平均值和方差的比值与预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值以及平均值和方差的比值处于阈值区间之内则使用该像素的数据来得到随机数，否则舍弃该像素的数据；如果平均光子数处于阈值之外的像素数量超过一定数量，则发送控制信号给LED控制电路(6)调整硅基LED(4)发光强度；根据硅基LED(4)随机发射光子并且光子数分布符合泊松分布的特性，以这一随机的光子数作为随机源；平均光子数足够大的情况下，得到随机并均匀分布的0、1比特序列；选取光子数数据的最后四位作为随机数；通过调整硅基LED(4)光源的工作电流使得每个像素吸收的平均光子数保持在500左右；单个电子的转换电压和ADC相匹配，能够使得在CMOS的线性工作区间内CMOS像素每多吸收一个光子其模数转换器数字输出增加一个单位；CMOS传感器(3)在线性工作区间内做到电子-数字转换比例刚好是1。

2.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，在CMOS传感器(3)、硅基LED(4)、处理器(5)和LED控制电路(6)集成的芯片中，CMOS传感器(3)硅基LED(4)外侧封装均光材料(2)，在均光材料(2)表面有反射层(1)；硅基LED(4)和CMOS传感器(3)组成一个反射结构，硅基LED(4)发出的光经由具有折射、反射和散射光线特性的均光材料(2)照射到CMOS像素阵列(31)上。

3.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，处理器(5)使用提取器对原始数据直接进行提取得到最终的随机数；提取器选自Toe pli tz提取器、Trevisan提取器或者其他信息论意义上安全的提取器。

4.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，CMOS传感器(3)的相关参数为：分辨率240*240，帧率100，曝光时间20μs，单像素输出位10位，随机数的输出最大达到23Mbps。

5.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，硅基LED(4)为与标准CMOS工艺兼容发光器件。

6.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，处理器(5)中数据后处理方法为在选取原始数据的一个或多个最低位得到的数据基础上，再使用提取器进行提取得到最终的随机数。

7.如权利要求1所述的全硅基CMOS量子随机数发生装置，其特征在于，CMOS传感器(3)为使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造的光子计数传感器。

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