CN111555874B - 随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路 - Google Patents

随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路，所述驱动电路包括：量子熵源芯片，所述量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；偏压模块，所述偏压模块用于为所述第一电极和所述第二电极施加偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；处理模块，所述处理模块用于基于所述隧穿电流生成随机数字信号。应用本发明提供的技术方案，在降低成本和减小体积的同时，有效降低随机噪声中的经典噪声，从而提高量子熵源的安全性。

Description

随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路
技术领域
本发明涉及半导体芯片技术领域，更具体的说，涉及一种随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路。
背景技术
随机数是密码学的重要资源之一，不论是对于经典密码学还是量子密码学来说，他们对随机数的随机性要求都非常严格，甚至是直接决定了绝大多数密码体系的安全性。产生随机数的设备或模块被称为随机数发生器，它的核心器件被称为熵源。熵源是随机数发生器的随机性来源，它的质量直接决定了最终输出随机数序列的质量。目前，根据熵源的特性不同，可以将随机数的产生方法分为两大类：伪随机数发生器和物理随机数发生器。其中，物理随机数发生器的随机性是基于一些非确定性的客观物理现象的熵源，包括了大气噪声，电子噪声，电路抖动等等，这些随机数发生器由探测这些物理现象的结果来产生随机数。
传统量子随机数发生器一般是基于分立元器件的系统，其中某些随机数系统要用到包括量子纠缠源以及单光子探测器等大体积，价格昂贵的器件，导致传统量子随机数发生器具有体积较大，功耗高，价格昂贵等问题，所以至今没有得到较为广泛的应用。因此，如何涉及一种体积小、功耗低以及成本低的量子随机数发生器是半导体芯片技术领域一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路，在降低成本和减小体积的同时，有效降低随机噪声中的经典噪声，从而提高量子熵源的安全性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种驱动电路，所述驱动电路包括：
量子熵源芯片，所述量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；
偏压模块，所述偏压模块用于为所述第一电极和所述第二电极施加偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；
处理模块，所述处理模块用于基于所述隧穿电流生成随机数字信号。
优选的，在上述的驱动电路中，所述量子熵源芯片具有多个所述隧穿器件单元；所有所述隧穿器件单元的第一导电区为一体结构，共用同一所述第一电极；各个所述隧穿器件单元的绝缘区相互分离，各个所述隧穿器件单元的第二导电区相互分离，每个所述第二导电区具有单独的所述第二电极。
优选的，在上述的驱动电路中，同一所述隧穿器件单元中，所述第一导电区和所述第二导电区均为金属层，所述绝缘区为绝缘氧化物；
或，同一所述隧穿器件单元中，所述第一导电区和所述第二导电区中的一者为N型掺杂的半导体层，另一者为P型掺杂的半导体层，空穴与电子在所述N型掺杂的半导体层与所述P型掺杂的半导体层交界位置复合形成所述绝缘区。
优选的，在上述的驱动电路中，所述第一电极接地，所述第二电极通过单独的串联支路分别与所述偏压模块和所述处理模块连接，所述串联支路具有串联的电阻和电感。
优选的，在上述的驱动电路中，所述量子熵源芯片具有N个所述隧穿器件单元，N为大于1的正整数；
所述处理模块具有N个与所述第二电极一一对应连接的信号处理支路，所述信号处理支路包括依次串联的电容、第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器，所述隧穿电流依次通过所述电容、所述第一滤波器、所述放大器、所述第二滤波器和转换器，形成所述随机数字信号。
优选的，在上述的驱动电路中，所述量子熵源芯片具有N个所述隧穿器件单元，依次为第1级隧穿器件单元至第N级隧穿器件单元，N为大于1的正整数；
所述处理模块具有N-1个信号处理支路，依次为第1级信号处理支路至第N-1级信号处理支路；每级信号处理支路均包括减法器以及依次串联的第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器；
对于第i级信号处理支路，所述减法器的正相输入端与第1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的负相输入端与第i+1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接，i为不大于N-1的正整数。
优选的，在上述的驱动电路中，所述量子熵源芯片具有多个所述隧穿器件单元；
所述处理模块具有多个信号处理支路；
所述信号处理支路的输出端连接同一数据连接模块，所述数据连接模块用于将多个所述信号处理支路输出的数据按数字位连接输出。
优选的，在上述的驱动电路中，如果具有多个所述隧穿器件单元，所述隧穿器件单元输入相同的偏压。
本发明还提供一种量子熵源芯片，所述量子熵源芯片包括：
至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；
其中，同一所述隧穿器件单元中，所述第一电极与所述第二电极用于输入偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；所述隧穿电流用于生成随机数字信号。
本发明还提供一种随机数发生器，包括如上述任一项所述的驱动电路。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路中，量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，在隧穿器件单元上具有第一电极和第二电极，通过偏压模块对第一电极和第二电极施加偏压，使得通过量子熵源芯片的电流形成隧穿电流，隧穿电流通过处理模块处理后输出随机数字信号。本发明技术方案提供了一种安全性较好的量子随机数发生器实现方案，基于量子熵源芯片中隧穿电流生成随机数，电路结构简单，体积小，且功耗较低，制作成本低。
进一步的，本发明技术方案可以通过对隧穿电流进行差分处理的方式，以减小电路热噪声和经典噪声，以提高量子熵源的安全性。
进一步的，在本发明提供的技术方案中，所述量子熵源芯片、偏压模块以及处理模块共同位于同一基板(PCB板)或者集成于同一块半导体芯片中，与传统量子随机数发生器相比，价格和体积大幅度降低，所以应用本方案可以实现低成本，高稳定性，小体积的随机数发生器。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为传统量子熵源芯片的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种驱动电路的电路示意图；
图3为本发明实施例提供的一种量子熵源芯片的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种量子熵源芯片的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种驱动电路的电路示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种驱动电路的电路示意图；
图7为本发明实施例提供的一种随机数发生器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
随机数是密码学的重要资源之一，不论是对于经典密码学还是量子密码学来说，他们对随机数的随机性要求都非常严格，甚至是直接决定了绝大多数密码体系的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也非常广泛，包括在博彩活动、抽样统计、Monte-Carlo模拟以及一些计算科学中，都扮演着非常重要的角色。
产生随机数的设备或模块被称为随机数发生器，它的核心器件被称为熵源。熵源是随机数发生器的随机性来源，它的质量直接决定了最终输出随机数序列的质量。目前，根据熵源的特性不同，可以将随机数的产生方法分为两大类：伪随机数发生器和物理随机数发生器。其中，伪随机数发生器一般基于预设的数学算法熵源，以计算机系统时刻等可获取的外部信息作为种子，由计算机等设备实现，这种随机数发生器可以以极快的速率稳定输出伪随机数序列，并且由算法保证了输出序列具有一定的统计特性，满足典型的随机性测试。但也由于伪随机数是基于确定算法产生的，其随机性来源仅为输入种子的随机性，所以当它被频繁使用时，是可以通过对已产生的随机数进行统计分析来进行预测的。故在信息安全或密码的应用中，算法随机数本质上的确定性是容易在被攻击者利用的。
而物理类随机数则不同，它的随机性是基于一些非确定性的客观物理现象的熵源，包括了大气噪声，电子噪声，电路抖动等等，这些随机数发生器由探测这些物理现象的结果来产生随机数。同时如果这些物理现象为量子现象时，则将这一类的物理类熵源称为量子熵源，这些物理现象则包括真空涨落，相位噪声，辐射衰变等量子物理过程。由于量子物理过程的量子力学内禀随机性，量子随机数被普遍认为具有真随机性，无法被预测，是一种理想的随机数发生器，这类随机数发生器的真随机属性对于信息安全领域具有非常关键的作用。但是传统量子随机数发生器一般是基于分立元器件的系统，其中某些随机数系统要用到包括量子纠缠源以及单光子探测器等大体积，价格昂贵的器件，导致传统量子随机数发生器具有体积较大，功耗高，价格昂贵等问题，所以至今没有得到较为广泛的应用。
半导体芯片技术是一种将大量元器件(包括光学元器件和电子学元器件)通过光刻等制作工艺集成在同一衬底上，使得单一芯片可以完成一个特定功能的技术。相较于芯片对应的集成前的系统，具有体积缩小，功耗降低，价格便宜等优势，是信息时代的重要标志之一。
量子隧穿现象(Quantum tunneling effect)是指像电子这种微观粒子能够穿越高于粒子本身总能量的位势垒的现象。而在经典力学的描述中，该粒子会被势垒反射，无法越过势垒，所以这种现象在经典力学领域是不可能发生的，但在量子力学的描述中，由于粒子波粒二象性的存在，该现象得到了合理的解释，所以隧穿效应是一种量子力学效应，基于该效应体现的随机性可以设计一种量子熵源。
量子隧穿结是基于量子隧穿现象的典型结构之一，如图1所示，图1为传统量子熵源芯片的原理示意图，图1中左图为芯片结构示意图，右图为芯片不同位置的电势分布曲线。所示芯片是由第一导电区04和第二导电区02及二者之间的一个绝缘区03(势垒层)构成的三明治结构，第一导电区04表面具有电极05，第二导电区02表面具有电极01。一般基于InP、GaAs等三五族材料制作导电区。
如图1所示，两导电区电势处处相同，且绝缘区03中电势高于导电区电势，如虚线A和虚线B所示，第一导电区04不同位置电势相同，如虚线C和虚线D所示，第二导电区02不同位置电势相同，如虚线B和虚线C所示，绝缘区03不同位置电势相同，且大于导电区中的电势。在这种芯片结构中，绝缘区03处的电势较高，设为E1，所以当电极05与电极01处加载的偏压使得电子能量E<E1时，通过绝缘区03的电流则属于量子隧穿电流。
在图1所示方式中，通过对图1中量子熵源芯片加载合适偏压，此时会有一些电荷可以通过隧穿现象穿过绝缘区势垒，而电荷是否穿过或者说穿过的概率则是由偏压大小来决定的，所以对隧穿电信号进行测量，提取其中电流抖动的随机性，是可以作为一种量子熵源使用的。但在这种情况下，无法分辨最终电流涨落是量子隧穿引起的电流涨落还是其它包括经典热噪声造成的电流涨落，而经典噪声所产生的随机数被认为是可以被窃听者所控制和预测的，所以对于量子熵源来说必须使用比较复杂的后处理过程以从最终电流噪声中剔除经典噪声。
因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路，所述驱动电路包括:
量子熵源芯片，所述量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；
偏压模块，所述偏压模块用于为所述第一电极和所述第二电极施加偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；
处理模块，所述处理模块用于基于所述隧穿电流生成随机数字信号。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的随机数发生器及其量子熵源芯片与驱动电路中，量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，在隧穿器件单元上具有第一电极和第二电极，通过偏压模块对第一电极和第二电极施加偏压，使得通过量子熵源芯片的电流形成隧穿电流，隧穿电流通过处理模块处理后输出随机数字信号。本发明技术方案提供了一种安全性较好的量子随机数发生器实现方案，基于量子熵源芯片中隧穿电流生成随机数，电路结构简单，体积小，且功耗较低，制作成本低。
进一步的，本发明技术方案可以通过对隧穿电流进行差分处理的方式，以减小电路热噪声和经典噪声，以提高量子熵源的安全性。
进一步的，在本发明提供的技术方案中，所述量子熵源芯片、偏压模块以及处理模块共同位于同一基板(PCB板)或者集成于同一块半导体芯片中，与传统量子随机数发生器相比，价格和体积大幅度降低，所以应用本方案可以实现低成本，高稳定性，小体积的随机数发生器，从而推进量子随机数发生器的应用领域的拓宽和发展。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
参考图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种驱动电路的电路示意图，图3为本发明实施例提供的一种量子熵源芯片的结构示意图。
如图2和图3所示，所述驱动电路包括：
量子熵源芯片100，所述量子熵源芯片100包括至少一个隧穿器件单元101，所述隧穿器件单元101包括相对设置的第一导电区24和第二导电区22以及位于所述第一导电区24和所述第二导电区22之间的绝缘区23；所述第一导电区24表面具有第一电极25，所述第二导电区22表面具有第二电极21；偏压模块200，所述偏压模块200用于为所述第一电极25和所述第二电极21施加偏压，以使得所述量子熵源芯片100形成隧穿电流；处理模块300，所述处理模块300用于基于所述隧穿电流生成随机数字信号。所述偏压模块200可以为一个电压源。
图2和图3所示驱动电路可以用于实现量子随机数发生器，基于量子熵源芯片中隧穿电流生成随机数，电路结构简单，体积小，且功耗较低，制作成本低。
需要说明的是，所述量子熵源芯片100、偏压模块200以及处理模块300共同位于同一基板(PCB板)或者集成于同一块半导体芯片中，与传统量子随机数发生器相比，价格和体积大幅度降低。
图2所示方式中，所述第一电极25接地，所述第二电极21通过单独的串联支路分别与所述偏压模块200和所述处理模块300连接，所述串联支路具有串联的电阻R和电感L。
本发明实施例中，可以设置所述量子熵源芯片具有多个所述隧穿器件单元101，图3所示方式中，以所述量子熵源芯片100具有两个所述隧穿器件单元101为例进行说明；所有所述隧穿器件单元101的第一导电区24为一体结构，共用同一所述第一电极25；各个所述隧穿器件单元的绝缘区23相互分离，各个所述隧穿器件单元的第二导电区22相互分离，每个所述第二导电区22具有单独的所述第二电极21。
一种方式中，可以通过金属材料制备量子熵源芯片100中的两个导电区，通过绝缘氧化物制备所述绝缘区23，具体的，同一所述隧穿器件单元101中，所述第一导电区24和所述第二导电区22均为金属层，所述绝缘区23为绝缘氧化物。需要说明的是，金属层可以为Au、Cu、Al中任一种，绝缘氧化物可以为Al2O3。
另一种方式中，可以通过半导体材料制备量子熵源芯片100中的两个导电区及绝缘区23，具体的，同一所述隧穿器件单元101中，所述第一导电区24和所述第二导电区22中的一者为N型掺杂的半导体层，另一者为P型掺杂的半导体层，空穴与电子在所述N型掺杂的半导体层与所述P型掺杂的半导体层交界位置复合形成所述绝缘区23。其中，半导体层可以为InP或GaAs。
为了满足最终随机熵源大吞吐率的要求，也可以在同一块量子熵源芯片100中集成多个隧穿器件单元101以满足要求。如图4所示，图4为本发明实施例提供的另一种量子熵源芯片的结构示意图。
图4所示方式中，所述量子熵源芯片100具有多个所述隧穿器件单元101；隧穿器件单元101的个数可以基于需求设定为任意多个，不局限于本发明实施例图示方式。所有所述隧穿器件单元101的第一导电区24为一体结构，共用同一所述第一电极25；各个所述隧穿器件单元101的绝缘区23相互分离，各个所述隧穿器件单元101的第二导电区22相互分离，每个所述第二导电区22具有单独的所述第二电极21。
图4所示量子熵源芯片对应的驱动电路实例可如图5所示，图5为本发明实施例提供的另一种驱动电路的电路示意图。
如图5所示，所述量子熵源芯片100具有N个所述隧穿器件单元，N为大于1的正整数；所述处理模块300具有N个与所述第二电极21一一对应连接的信号处理支路301，所述信号处理支路301包括依次串联的电容C、第一滤波器12、放大器13、第二滤波器14和转换器15，所述隧穿电流依次通过所述电容C、所述第一滤波器12、所述放大器13、所述第二滤波器14和转换器15，形成所述随机数字信号。其中，所述转换器15可以为比较器或者是ADC(模数转换器)，可以进行数据采样。需要说明的是，量子熵源芯片100具有N个隧穿器件单元101时，每个隧穿器件单元101中第二电极21单独通过一个信号处理支路301进行信号处理，形成数字随机信号，N可以为任意大于1的正整数。
如图5所示，如果所述量子熵源芯片100具有多个所述隧穿器件单元101，所述处理模块300具有多个信号处理支路301，图5所示方式中，信号处理支路301和所述隧穿器件单元101一一对应连接；所述信号处理支路301的输出端连接同一数据连接模块400，所述数据连接模块400用于将多个所述信号处理支路301输出的数据按数字位连接输出。所述数据连接模块400可以为FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)，用于进行数字信号处理。
需要说明的是，图5中的驱动电路结构同图4中的量子熵源芯片结构位于同一基板(PCB版)上或者集成在同一块集成芯片中。
同样，为了满足最终随机数吞吐率要求，也可以将在同一基板(PCB板)或同一块芯片上集成多个图5中的结构。驱动电路将随机数字信号输出到处理模块中，最终生成量子随机数序列。
图5所示方式中，电路噪声在最终电流涨落中占比会提高，导致后续处理模块的工作量增加，同时会导致最终随机数序列的质量有所影响。为例解决该问题，对于图5中量子熵源芯片，可以通过设置减法器11对两隧穿电流做差分处理后，做后续的滤波、放大和采样等操作，以减小电路热噪声和经典噪声，此时驱动电路的结构如图6所示，图6为本发明实施例提供的又一种驱动电路的电路示意图。基于图5所示方式，图6所示驱动电路通过增加减法器11进行差分操作，以减小电路热噪声和经典噪声。
如图6所示，所述量子熵源芯片100具有N个所述隧穿器件单元101，依次为第1级隧穿器件单元101至第N级隧穿器件单元101，N为大于1的正整数。
所述处理模块300具有N-1个信号处理支路302，依次为第1级信号处理支路302至第N-1级信号处理支路302；每级信号处理支路302均包括减法器11以及依次串联的第一滤波器12、放大器13、第二滤波器14和转换器15。
对于第i级信号处理支路302，所述减法器11的正相输入端与第1级隧穿器件单元101的第二电极连接，所述减法器11的负相输入端与第i+1级隧穿器件单元的101第二电极连接，所述减法器11的输出端与所述第一滤波器12的输入端连接，i为不大于N-1的正整数。各个隧穿器件单元101的第二电极通过串联的电感L和电容C输出隧穿电流，隧穿电流可以通过对应的电容C输入到减法器11的对应输入端。
如图6所示，如果所述量子熵源芯片100具有多个所述隧穿器件单元101，所述处理模块300具有多个信号处理支路302，图6所示方式中，第i级信号处理支路302将第i级隧穿器件单元101输出的隧穿电流与第1级隧穿器件单元101输出的隧穿电流进行差分处理；所述信号处理支路302的输出端连接同一数据连接模块400，所述数据连接模块400用于将多个所述信号处理支路302输出的数据按数字位连接输出。
在图6所示方式中，通过偏压模块200施加适当偏压，使得量子熵源芯片100形成隧穿电流，此时每一级隧穿器件单元101的隧穿电流都与第1级隧穿器件单元101的隧穿电流进行差分，以减小经典噪声对最终随机数序列的影响，随后并通过对电流信号经过放大、滤波以及采样等过程，并通过一个数据连接模块400，将各个转换器15产生的数据进行按数字位连接输出，得到原始随机数字信号序列，该原始随机数字信号通过后处理算法模块后输出随机数字信号。
由上述描述可知，本发明实施例提供的驱动电路中，如果具有多个所述隧穿器件单元101，则可以通过同一偏压模块200向各个所述隧穿器件单元101输入相同的偏压，使得量子熵源芯片100形成隧穿电流，隧穿电流通过处理模块300处理后输出随机数字信号，通过减法器11可以有效降低随机噪声中的经典噪声，从而提高了量子熵源的安全性。
另外，在本发明提供的技术方案中，量子熵源芯片100、偏压模块200以及处理模块300共同位于同一基板(PCB板)或者集成于同一块半导体芯片中，与传统量子随机数发生器相比，价格和体积大幅度降低，所以应用本方案可以实现低成本，高稳定性，小体积的随机数发生器。
本发明实施例中，可以通过偏压模块200对第一电极25和第二电极21施加适当偏压，使得通过量子熵源芯片100形成隧穿电流，并对此时的隧穿电流进行差分操作，可以达到在减小随机噪声中的经典噪声的情况下得到随机模拟信号，随后并通过对随机模拟信号经过放大、滤波以及采样等过程，经过放大后得到放大后的随机模拟信号，随后通过滤波将随机模拟信号中的高频和低频信号滤除，然后通过将随机模拟信号导入转换器中转换为随机数字信号输出，可以得到原始随机数字信号，该原始随机数字信号通过处理算法模块后输出随机数字信号。
在随机数字信号产生后，通过处理算法模块对随机数字信号进行后处理操作。后处理操作一般包括最小熵估计和后处理算法两个部分，最小熵定义为Hmin＝-log2Pmax，其中Pmax表示出现概率最大的数字信号对应的概率值，最小熵可以用来估计此时随机数字信号中量子随机性的比例，作为随机提取模块的输入参数。随机提取模块一般指一块FPGA芯片或者ACIS芯片，该芯片中运行包括最低有效位算法，Toeplitz哈希算法等算法以保证最终的随机数输出序列满足随机数检测以及信息论安全的要求，对此不再赘述。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种量子熵源芯片，如上图3所示，图3为本发明实施例提供的一种量子熵源芯片的结构示意图。
如图3所示，所述量子熵源芯片包括：
至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区24和第二导电区22以及位于所述第一导电区24和所述第二导电区22之间的绝缘区23；所述第一导电区24表面具有第一电极25，所述第二导电区22表面具有第二电极21；其中，同一所述隧穿器件单元中，所述第一电极25与所述第二电极21用于输入偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；所述隧穿电流用于生成随机数字信号。所述量子熵源芯片可以基于需求同时集成多个隧穿器件单元。
本发明实施例中，通过偏压模块对第一电极25和第二电极21施加适当偏压，使得通过量子熵源芯片的电流形成隧穿电流，并对此时的隧穿电流进行差分操作，可以达到在减小随机噪声中的经典噪声的情况下得到随机模拟信号，随后并通过对随机模拟信号经过放大、滤波以及采样等过程，可以得到原始随机数字信号，该原始随机数字信号通过处理模块后输出随机数字信号。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种随机数发生器，所述随机数发生器包括上述实施例中描述的驱动电路。所述随机数发生器的工作原理可以如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种随机数发生器的工作原理示意图，基于上述实施例所述量子熵源芯片及其驱动电路输出原始随机数字信号，原始随机数字信号通过后处理算法模块进行处理后，输出最终的随机数。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的随机数发生器及量子熵源芯片而言，由于其与实施例公开的驱动电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见驱动电路部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：
量子熵源芯片，所述量子熵源芯片包括至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；
偏压模块，所述偏压模块用于为所述第一电极和所述第二电极施加偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；
处理模块，所述处理模块用于基于所述隧穿电流生成随机数字信号；
所述量子熵源芯片具有N个所述隧穿器件单元，N为大于1的正整数；所有所述隧穿器件单元的第一导电区为一体结构，共用同一所述第一电极；各个所述隧穿器件单元的绝缘区相互分离，各个所述隧穿器件单元的第二导电区相互分离，每个所述第二导电区具有单独的所述第二电极；
所述处理模块具有N个与所述第二电极一一对应连接的信号处理支路，所述信号处理支路包括依次串联的电容、第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器，所述隧穿电流依次通过所述电容、所述第一滤波器、所述放大器、所述第二滤波器和转换器，形成所述随机数字信号；
或，该N个所述隧穿器件单元依次为第1级隧穿器件单元至第N级隧穿器件单元；所述处理模块具有N-1个信号处理支路，依次为第1级信号处理支路至第N-1级信号处理支路；每级信号处理支路均包括减法器以及依次串联的第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器；对于第i级信号处理支路，所述减法器的正相输入端与第1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的负相输入端与第i+1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接，i为不大于N-1的正整数。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，同一所述隧穿器件单元中，所述第一导电区和所述第二导电区均为金属层，所述绝缘区为绝缘氧化物；
或，同一所述隧穿器件单元中，所述第一导电区和所述第二导电区中的一者为N型掺杂的半导体层，另一者为P型掺杂的半导体层，空穴与电子在所述N型掺杂的半导体层与所述P型掺杂的半导体层交界位置复合形成所述绝缘区。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一电极接地，所述第二电极通过单独的串联支路分别与所述偏压模块和所述处理模块连接，所述串联支路具有串联的电阻和电感。
4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述量子熵源芯片具有多个所述隧穿器件单元；
所述处理模块具有多个信号处理支路；
所述信号处理支路的输出端连接同一数据连接模块，所述数据连接模块用于将多个所述信号处理支路输出的数据按数字位连接输出。
5.根据权利要求1-4任一项所述的驱动电路，其特征在于，如果具有多个所述隧穿器件单元，所述隧穿器件单元输入相同的偏压。
6.一种量子熵源芯片，其特征在于，所述量子熵源芯片包括：
至少一个隧穿器件单元，所述隧穿器件单元包括相对设置的第一导电区和第二导电区以及位于所述第一导电区和所述第二导电区之间的绝缘区；所述第一导电区表面具有第一电极，所述第二导电区表面具有第二电极；
其中，同一所述隧穿器件单元中，所述第一电极与所述第二电极用于通过偏压模块输入偏压，以使得所述量子熵源芯片形成隧穿电流；所述隧穿电流用于通过处理模块生成随机数字信号；
所述量子熵源芯片具有N个所述隧穿器件单元，N为大于1的正整数；所有所述隧穿器件单元的第一导电区为一体结构，共用同一所述第一电极；各个所述隧穿器件单元的绝缘区相互分离，各个所述隧穿器件单元的第二导电区相互分离，每个所述第二导电区具有单独的所述第二电极；
所述处理模块具有N个与所述第二电极一一对应连接的信号处理支路，所述信号处理支路包括依次串联的电容、第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器，所述隧穿电流依次通过所述电容、所述第一滤波器、所述放大器、所述第二滤波器和转换器，形成所述随机数字信号；
或，该N个所述隧穿器件单元依次为第1级隧穿器件单元至第N级隧穿器件单元；所述处理模块具有N-1个信号处理支路，依次为第1级信号处理支路至第N-1级信号处理支路；每级信号处理支路均包括减法器以及依次串联的第一滤波器、放大器、第二滤波器和转换器；对于第i级信号处理支路，所述减法器的正相输入端与第1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的负相输入端与第i+1级隧穿器件单元的第二电极连接，所述减法器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接，i为不大于N-1的正整数。
7.一种随机数发生器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的驱动电路。
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