CN110750236A - 基于cmos图像传感器的量子随机数发生器 - Google Patents

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林雨
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Abstract

本发明公开了一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，包括光源、CMOS图像传感器、可编程逻辑门阵列和多个接口；其中，光源产生的微弱光照射在CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器能够将光信号转换为电信号，并将采集的光电信号以高速串行通讯接口的方式输出到可编程逻辑门阵列；可编程逻辑门阵列可根据数据处理需要选择不同性能的逻辑器件，统计CMOS图像传感器每一个像素点上的、单位时间内接收到的光子数，并判断光子数奇偶性，进而产生真随机数；多个接口与外围设备进行连接，以为外设提供随机数。其提升了量子随机数的生成速率，具有性能稳定、低成本、高速率和低功耗的特性。同时，其工作温度范围较宽，环境适应性较强。

Description

基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器
技术领域
本发明涉及量子随机数技术领域，具体地，涉及一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器。
背景技术
众所周知，随机数在密码学、博彩和量子通信等诸多领域被广泛使用。在信息安全系统和通信行业中，随机数扮演着举足轻重的角色。量子随机数发生器近年来受到诸多学者和工程设计人员的重视，量子随机数发生器是基于量子物理内禀特性生成的，具有高安全性、高性能特性，其真随机性已经得到理论证明。
量子随机数其随机性是不可能由任何确定性的函数产生，是一种不能被人为创造的客观存在，只能从真实世界的物理特性中获得。传统的掷骰子、投硬币，以及近年来基于物理噪声产生的随机数，虽然有很大的复杂性，但很多过程在一定的初始条件和已知的环境下是可以预测的。量子随机数发生器是迄今为止唯一从理论上可以论证的真随机数发生器，其本质是由量子力学的基本原理决定的。现阶段研究的量子随机数发生器主要分为源无关、测量无关和器件完全无关的量子随机数发生器。
在量子随机数发生器中，产生真随机数的常见方式为：通过分支路径方式、通过自发辐射方式和通过相位随机化的方式。但是，通过以上各种方式制成的量子随机数发生器存在如下缺点：
1、通过分支路径制成的量子随机数速率较低，一般为16Mbps，无法应用于对随机数产生速率需求较高的场合。
2、通过自发辐射和相位噪声制成的随机数发生器，一般成本高、产品尺寸较大，并且功耗较高，无法大规模应用于普通市场。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器提升了量子随机数的生成速率，具有性能稳定、低成本、高速率和低功耗的特性。同时，其工作温度范围较宽，环境适应性较强。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器包括光源、CMOS图像传感器、可编程逻辑门阵列和多个接口；其中，
光源产生的微弱光照射在CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器能够将光信号转换为电信号，并将采集的光电信号以高速串行通讯接口的方式输出到可编程逻辑门阵列；
可编程逻辑门阵列可根据数据处理需要选择不同性能的逻辑器件，统计CMOS图像传感器每一个像素点上的、单位时间内接收到的光子数，并判断光子数奇偶性，进而产生真随机数；多个接口与外围设备进行连接，以为外设提供随机数。
优选地，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器还包括与可编程逻辑门阵列连接的温度传感器，用于监测环境温度变化。
优选地，光源为可见光光源或红外光源。
优选地，多个接口包括USB3.0和/或PCIe接口。
优选地，高速串行通讯接口为HiSPi或MIPI接口。
优选地，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器通过USB接口上电。
根据上述技术方案，本发明通过使用应用广泛的CMOS图像传感器和普通光源(LED光源)，通过统计单位时间内光子数的奇偶性，可以提供一种高速率、低成本、体积小和低功耗的量子随机数发生器。该量子随机数发生器接口多元化(USB3.0和PCIe)，便于同外设连接，方便易用。并且CMOS图像传感器使用广泛、价格低廉，CMOS图像传感器的量子效率一般为40％～65％，可以接收可见光和近红外光，性能优越，并且有效像素可达近千万像素。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明提供的一种实施方式中基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器的内部结构示意图；
图2是CMOS图像传感器量子效率和波长的对应关系图；
图3是基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器软件工作流程图；
图4是根据本发明提供的一种实施方式中基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器产生随机数的随机性测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、内、外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
本发明提供一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器包括光源、CMOS图像传感器、可编程逻辑门阵列和多个接口；其中，
光源产生的微弱光照射在CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器能够将光信号转换为电信号，并将采集的光电信号以高速串行通讯接口的方式输出到可编程逻辑门阵列；
可编程逻辑门阵列可根据数据处理需要选择不同性能的逻辑器件，统计CMOS图像传感器每一个像素点上的、单位时间内接收到的光子数，并判断光子数奇偶性，进而产生真随机数；多个接口与外围设备进行连接，以为外设提供随机数。
在本实施方式中，优选地，该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器还包括与可编程逻辑门阵列连接的温度传感器，用于监测环境温度变化。
其中，光源为可见光光源或红外光源，多个接口包括USB3.0和/或PCIe接口，高速串行通讯接口为HiSPi或MIPI接口。
同时，优选该基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器通过USB接口上电。
通过上述技术方案，使用应用广泛的CMOS图像传感器和普通光源(LED光源)，通过统计单位时间内光子数的奇偶性，可以提供一种高速率、低成本、体积小和低功耗的量子随机数发生器。该量子随机数发生器接口多元化(USB3.0和PCIe)，便于同外设连接，方便易用。并且CMOS图像传感器使用广泛、价格低廉，CMOS图像传感器的量子效率一般为40％～65％，可以接收可见光和近红外光，性能优越，并且有效像素可达近千万像素。
具体的，如图1所示，当系统正常工作时，可编程逻辑门阵列控制光源产生所需微弱光，该微弱光经过空间衰减以后辐射到CMOS图像传感器表面，图像传感器将光信号转换为电信号，通过图像传感器产生的电信号就可以推算出每个像素点同一时间段内响应光子数的多少；可编程逻辑门阵列通过计算每个像素点响应的电压当量，进而计算出单位时间内每个像素点响应光子数的奇偶性，假设响应奇数个光子为二进制“0”，响应偶数个光子为二进制“1”，则可以产生高速率的量子随机数；温度传感器用于监测环境温度，可编程逻辑门阵列根据监测的温度值，通过相应算法维持发生器性能稳定性。通过以上方式产生高速率、高性能和低成本的量子随机数，该随机数发生器通过简单易用的接口(USB或PCIe接口)与外围设备进行连接，为外设提供可靠的真随机数。
从图2中可以看出，CMOS图像传感器对可见光波段的红光、蓝光和绿光都可以响应，但量子效率有所不同。同时，图像传感器对近红外波段也可以响应，其量子效率相对于可见光波段稍微低些，但是也有实用价值。本发明专利使用的光源包括红光、蓝光、绿光和近红外光光源。
参见图3，该量子随机数发生器通过USB接口上电，上电以后USB接口进行数据连接正常检测，如果检测异常，则重新上电进行检测，直到检测正常。当USB接口一切正常以后，启动量子随机数发生器工作，生成真随机数比特序列。该随机数发生器产生随机比特序列以后，对随机比特序列进行上电异常检测和周期异常检测，出现异常的时候进行告警并停机，正常的时候才将随机数比特流通过USB接口输出给外设。通过以上流程，确保产生真随机数序列的性能及实时随机性。
通过以上方式，便可以产生高速率、高性能、低成本和高温度稳定性的量子随机数发生器。该随机数发生器设计最大速率达到500Mbps，随机性满足国家密码局《随机性检测规范》和NIST相关随机数随机性检测标准(具体参见图4)。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，所述基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器包括光源、CMOS图像传感器、可编程逻辑门阵列和多个接口；其中，
所述光源产生的微弱光照射在所述CMOS图像传感器上，所述CMOS图像传感器能够将光信号转换为电信号，并将采集的光电信号以高速串行通讯接口的方式输出到所述可编程逻辑门阵列；
所述可编程逻辑门阵列可根据数据处理需要选择不同性能的逻辑器件，统计所述CMOS图像传感器每一个像素点上的、单位时间内接收到的光子数，并判断光子数奇偶性，进而产生真随机数；多个所述接口与外围设备进行连接，以为外设提供随机数。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，所述基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器还包括与所述可编程逻辑门阵列连接的温度传感器，用于监测环境温度变化。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，所述光源为可见光光源或红外光源。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，多个所述接口包括USB3.0和/或PCIe接口。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，所述高速串行通讯接口为HiSPi或MIPI接口。
6.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器，其特征在于，所述基于CMOS图像传感器的量子随机数发生器通过USB接口上电。
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