CN110851111A - 一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法，装置包括光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构、平衡零差探测器、模数转换模块和随机数处理模块，其中：所述光纤环形结构由分束器、π/2相位调制器、光延时模块和合束器组成，所述光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器通过光纤级联，所述平衡零差探测器与模数转换模块电连接，所述模数转换模块与随机数处理模块通过数据线连接。本发明不仅无需依赖对源的假设而且只需简单的零差探测即可同时获得正则分量X和P，促进了QRNG的实用化，避免了目前连续型QRNG中零差探测需要通过引入外来随机数来实现随机获得正则分量X和P以及需要借助复杂结构且昂贵的外差探测，同时解决对源的独立同分布假设的问题。

Description

一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法

技术领域

本发明涉及信息科学量子通信中量子随机数领域，尤其涉及一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法。

背景技术

随机数在信息安全方面扮演着重要的角色，但是随着量子计算和量子通信技术的发展，基于数学算法的伪随机数的随机性已经无法保证人们的信息安全，特别是量子密钥分发技术中的真随机性是保证安全密钥分发的根本。因此，当前研究学者开始倾向于物理随机数发生器的研究，而基于量子力学内禀随机性的量子随机数发生器(Quantum RandomNumber Generator,QRNG)具有输出真随机数的特性得到广泛的研究与应用。

当前量子随机数产生的方式主要分为离散型和连续型方案。离散性QRNG主要利用单光子源和纠缠光子对等信号作为随机变量的载体。该方案原理简单，具有明显的量子非确定性，但受到随机源线宽和探测器效率的影响，使得产生随机数速率较低。因此，为实现高速率的量子物理随机数的产生，连续型QRNG相继被人们提出，当前其主要的产生机理有激光相位噪声、VCSEL偏振模式分布噪声、放大自发辐射噪声、真空散粒噪声和受激拉曼散射。上述连续型QNRG无论基于什么机理，探测方式主要分为零差探测和外差探测两种方式。一方面，零差探测方式采用结构非常简单的零差探测器，但零差探测单次只能获得一个正则分量X(P)，因此需要借助外来随机数对正则分量X和P进行随机测量，限制了QRNG的实际应用(J.L.Liu,J.Yang,Z.Y.Li,el al.117Gbits/s quantum random number generationwith simple structure[J].IEEE Photonics Technology Letters,2017,29(3):283-286.)。另一方面，外差探测方式无需借助外来随机数即可同时获得两个正则分量X和P，但外差探测的结构非常复杂且昂贵，增加QRNG应用成本(Avesani M,Marangon D G,ValloneG,et al.Secure heterodyne-based quantum random number generator at 17Gbps[J].Nature Communications,2018,9:5365)。同时，大部分连续型QRNG需要依赖对源的独立同分布假设，很难实现由量子力学保证的真随机数，实用性受限。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法，旨在避免目前连续型QRNG中零差探测需要通过引入外来随机数来实现随机获得正则分量X和P以及需要借助复杂结构且昂贵的外差探测，同时解决对源的独立同分布假设的问题，本发明提出的一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法，不仅无需依赖对源的假设而且只需简单的零差探测即可同时获得正则分量X和P，促进了QRNG的实用化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高安全的源无关量子随机数产生装置，包括光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构、平衡零差探测器、模数转换模块和随机数处理模块，其中：所述光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器通过光纤级联，所述平衡零差探测器与模数转换模块电连接，所述模数转换模块与随机数处理模块通过数据线连接。

本发明还公开了一种高安全的源无关量子随机数产生方法，包括以下步骤：

步骤一、搭建高安全的源无关量子随机数产生装置：

将分束器、π/2相位调制器、光延时模块和合束器构成一个光纤环形结构，将光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器光纤级联，模数转换模块电连接平衡零差探测器，随机数处理模块数据连接模数转换模块；

步骤二、光脉冲模块输出重复周期为T的高消光比光脉冲信号，经过光衰减器衰减为量子光脉冲信号后通过分束器分为两路，上路量子光脉冲直接进入合束器，下路量子光脉冲经过π/2相位调制器引入π/2的相位差，然后调节光延时模块使得上下路量子光脉冲的有光部分完全错开；

步骤三、上下路量子光脉冲信号经过合束器合束后进入平衡零差探测器进行探测，形成电信号由模数转换模块转换为连续交叉分布的正则分量X和P的测量结果；

步骤四、随机数处理模块对X和P的测量结果进行随机数统计分析与处理，得到作为未知量子态信息量的上界的高斯态ρ^G的冯诺依曼熵，以及X或P的香农熵，然后得到理想无限码长情况下的随机数生成速率r⁰，最后将r⁰简化为最终的源无关随机数产生速率。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

(1)本发明不需要依赖对源的假设，实现量子力学保证的真随机数产生，同时由于采用了光脉冲源提高了探测端的信噪比，扩大了可提取随机数的随机源范围，提高了QRNG的安全性和产生速率；

(2)本发明将时分复用与零差探测结合实现了利用一个零差探测器可同时测量正则分量X和P，消除了传统零差探测方法需要引入外来随机数来实现分量X和P的随机测量，同时避免了传统外差探测方法中复杂与昂贵的外差探测结构，提升了QRNG的实用性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的一种高安全的源无关量子随机数产生装置的原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种高安全的源无关量子随机数产生装置，包括：光脉冲模块、光衰减器、分束器、π/2相位调制器、光延时模块、合束器、平衡零差探测器、模数转换模块和随机数处理模块；分束器、π/2相位调制器、光延时模块和合束器形成一个光纤环形结构；同时分束器的一个光输入口空置(即处于真空态)；光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器光纤级联，平衡零差探测器电连接模数转换模块，模数转换模块数据连接随机数处理模块。

本发明的一种高安全的源无关量子随机数产生的原理如下：

光脉冲模块输出的重复周期为T的高消光比光脉冲信号，其中有光部分的占空比为t/T<50％，高消光比光脉冲信号经过光衰减器衰减成量子脉冲光信号通过分束器的一个输入端，分束器的另一个输入端空置(即真空态)，分束器输出的上路量子光脉冲直接进入合束器，分束器输出的下路量子光脉冲信号先进入π/2相位调制器将光脉冲信号的有光部分引入π/2相位，再经过延迟时间为τ>t的光延时模块使得上下路光脉冲信号的有光部分完全错开，两路光脉冲信号经过合束器合束后进入平衡零差探测器中进行探测得到电信号，然后由模数转换模块转换后得到连续交叉分布的正则分量X和P的测量结果。随机数处理模块对正则分量X和P的测量结果进行随机数统计分析与处理，得到协方差矩阵γ，表示为

式中V(x)和V(p)分别表示正则分量X和P的统计方差，Cov(x,p)＝<x·p>-<x><p>表示X与P的统计协方差，<·>表示期望值。

通过公式(1)的协方差矩阵可以近似估计出未知量子态在高斯条件下的辛特征值，表示为

如此根据高斯态极值定理，可以计算出高斯态ρ^G的冯诺依曼熵：

同时，根据计算出的X和P的概率分布ρ_i(x)和ρ_i(p)，可以计算出X和P的香农熵：

结合公式(2)和(3)可得理想无限码长情况下的随机数生成速率r⁰＝H(x)-S(ρ^G)或H(p)-S(ρ^G)，最后根据高斯de Finetti定理，量子源端的安全性假设可完全消除，r⁰简化为最终的源无关随机数产生速率：

式中n为随机数的长度，k表示用于能量测试的信号数，

d表示量子态维度，ε，ε_s表示安全性参数，K接近于n，ε″为总的安全性参数值，可表示为

实施例

搭建如图1所示的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，光脉冲模块输出的光脉冲信号的中心频率为1550.92nm，重复周期T＝800ps，即重频为1.25GHz的光脉冲信号，脉冲有光部分宽度t＝200ps，该光脉冲经过光分束器分为两路，其中下路光脉冲信号经过π/2相位调制器调制使得脉冲有光部分引入一个π/2的相位，然后经过具有400ps延时时间的光延时模块，使得上路光脉冲信号有光部分与下路光脉冲信号有光部分完全错开，两路光脉冲经过合束器合束后进入平衡零差探测器进行探测得到电信号，然后经模数转换模块转换后获得连续交叉分布的正则分量X和P的测量，最后利用随机数处理模块对X和P的测量结果进行随机数统计分析与处理，得到最终的源无关随机数产生速率。

Claims (10)

1.一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：包括光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构、平衡零差探测器、模数转换模块和随机数处理模块，其中：所述光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器通过光纤级联，所述平衡零差探测器与模数转换模块电连接，所述模数转换模块与随机数处理模块通过数据线连接。

2.根据权利要求1所述的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：所述光纤环形结构包括分束器、π/2相位调制器、光延时模块和合束器，其中：所述分束器的一个输入端与光衰减器连接，另一个输入端空置；所述分束器的一路输出直接进入合束器，另一路输出依次通过π/2相位调制器和光延时模块后进入合束器。

3.根据权利要求2所述的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：所述光脉冲模块用于向光衰减器输出重复周期为T的高消光比光脉冲信号，其中有光部分的占空比小于50％。

4.根据权利要求3所述的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：所述光衰减器用于将高消光比光脉冲信号衰减成量子脉冲光信号并输入给分束器。

5.根据权利要求4所述的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：所述π/2相位调制器用于将光脉冲信号的有光部分引入π/2相位并输入给光延时模块。

6.根据权利要求5所述的一种高安全的源无关量子随机数产生装置，其特征在于：所述光延时模块用于将引入了π/2相位光脉冲信号的有光部分延迟时间τ后输入给合束器。

7.一种高安全的源无关量子随机数产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、搭建高安全的源无关量子随机数产生装置：

将分束器、π/2相位调制器、光延时模块和合束器构成一个光纤环形结构，将光脉冲模块、光衰减器、光纤环形结构和平衡零差探测器光纤级联，模数转换模块电连接平衡零差探测器，随机数处理模块数据连接模数转换模块；

步骤二、光脉冲模块输出重复周期为T的高消光比光脉冲信号，经过光衰减器衰减为量子光脉冲信号后通过分束器分为两路，上路量子光脉冲直接进入合束器，下路量子光脉冲经过π/2相位调制器引入π/2的相位差，然后调节光延时模块使得上下路量子光脉冲的有光部分完全错开；

步骤三、上下路量子光脉冲信号经过合束器合束后进入平衡零差探测器进行探测，形成的电信号由模数转换模块转换为连续交叉分布的正则分量X和P的测量结果；

步骤四、随机数处理模块对X和P的测量结果进行随机数统计分析与处理，得到作为未知量子态信息量的上界的高斯态ρ^G的冯诺依曼熵，以及X或P的香农熵，然后得到理想无限码长情况下的随机数生成速率r⁰，最后将r⁰简化为最终的源无关随机数产生速率。

8.根据权利要求7所述的一种高安全的源无关量子随机数产生方法，其特征在于：按如下公式计算作为未知量子态信息量的上界的高斯态ρ^G的冯诺依曼熵：

式中，未知量子态在高斯条件下的辛特征值

V(x)和V(p)分别表示正则分量X和P测量结果的统计方差，Cov(x,p)为X与P测量结果的统计协方差。

9.根据权利要求8所述的一种高安全的源无关量子随机数产生方法，其特征在于：按如下公式计算X或P的香农熵：

式中ρ_i(x)和ρ_i(p)分别为正则分量X和P测量结果的概率分布。

10.根据权利要求9所述的一种高安全的源无关量子随机数产生方法，其特征在于：按如下公式计算最终的源无关随机数产生速率：

式中：n为随机数的长度，k表示用于能量测试的信号数，

d表示量子态维度，ε，ε_s表示安全性参数，K接近于n，ε″为总的安全性参数值，

r⁰表示理想无限码长情况下的随机数生成速率。

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