CN111669272B - 集成化实时高速量子随机码发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于随机码发生器领域。一种高速量子随机码发生器，包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路，集成熵源系统包括顺序连接的超辐射发光二极管（1）、Y‑型光波导（2），集成探测系统包括第一光电探测器（3）、第二光电探测器（4）、差分器（5）、混频器（6）、射频信号发生器（7）、第一低通滤波器（8）、第二低通滤波器（9）、模数转换器（10），以超辐射发光二极管以及Y‑型光波导提供宽带真空量子噪声为量子熵源，同时基于芯片化FPGA实现熵源离散化提取宽探测带宽内多个相互独立的量子频模作为子熵源，实现量子随机数的并行产生。

Description

集成化实时高速量子随机码发生器
技术领域
本发明属于随机码发生器领域。
背景技术
随机码发生器是加密技术的关键，从根本上决定着的通信系统的隐私和安全，在全球金融安全和信息安全领域起着至关重要的作用。随着云计算、大数据、物联网、三网融合等新型产业模式的快速发展和下一代信息网络技术的演进，对信息传输的安全性与速率要求不断提高，势必对真随机码发生器的产率、集成性、稳定性提出越来越高的要求。量子随机数发生器基于量子力学内禀的随机性，是迄今唯一能产生安全性信息论可证明的真随机序列的随机数发生器，连续变量量子随机数发生器因模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种尤具应用前景的真随机数产生方案。然而，传统光学元件尺寸较大并且光路受到环境温度、气流和振动的影响非常大，限制了光子量子信息处理的进一步扩展。光波导替代空间光学元件，固态介质组成的光学元件和光路性能稳定、能耗更小可扩展性强，光量子熵源探测及提取电路的集成化小型化及随机数并行后处理的芯片化将显著降低系统体积及能耗，将促进高速实时量子随机数发生器应用到信息网络中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种连续变量量子噪声基的并行量子随机数发生器高度集成化的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种高速量子随机码发生器，包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路，集成熵源系统包括顺序连接的超辐射发光二极管(1)、Y-型光波导(2)，集成探测系统包括第一光电探测器(3)、第二光电探测器(4)、差分器(5)、混频器(6)、射频信号发生器(7)、第一低通滤波器(8)、第二低通滤波器(9)、模数转换器(10)，量子态多模并行提取电路包括可编辑门阵列(11)，超辐射发光二极管(1)输出连续波激光进入Y-型光波导(2)，Y-型光波导(2)输出光强相等的本底光和信号光两束光，本底光和信号光分别被第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)探测，第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)探测到的信息经差分器(5)与射频信号发生器(7)产生特定频率的射频信号经混频器(6)混频后通过第一低通滤波器(8)和第二低通滤波器(9)进行滤波，经转换器(10)转换模数后进入可编辑门阵列(11)生成随机码。
单向Y-型光波导可视为具有三个输入和三个输出，当左边输入端仅有本底光输入而无反射，本底相干光光强被平均分配到两个输出端；右边两端无光强输入而只有真空场耦合进入，则光探测器接收光电信号的方差起伏等效于本底光放大的真空场量子起伏。在Y-型光波导的输出处的平均光子数可以用探测器输出的平均光电流来监测。Y-型光波导输出处的两端分别提供整个零拍探测系统的本底光和信号光，光强基本相等的两束光信号分别入射到高量子效率且性能对称的两个光电二极管上，产生的差分电流强度仅与探测器的量子效率和输入端的本底光强有关，而交流部分则比例于真空态分量的量子起伏。
集成探测系统(零差探测系统)集成在硅光子芯片，零差探测系统包括两个光电探测器、差分器、混频器、射频信号发生器、两个低通滤波器、模数转换器。通过对本底光LO不同相位的测量，监测经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化来得到最佳本底光强。平衡探测光电信号经差分器与射频发生器产生特定频率的射频信号经混频器混频，经过低通滤波器滤波处理，最后模数转化器将光电流信号转化为数字信号，通过可编辑门阵列(11)生成随机码。集成探测系统在印刷电路板(PCB)上进行集成。
量子态多模并行提取电路，基于芯片化FPGA(Field Programmable Gate Array)实现熵源离散化及实时高速后处理。各支路输出的基于各真空态频率模的光电信号为并行量子随机数产生提供了熵源。各路的光电压模拟信号经过模数转换器分别数字化，再由基于FPGA内构建的托普利兹哈希提取器进行实时并行后处理，基于其内部时钟，FPGA为并行各路信号输入、托普利兹矩阵计算、提取出的真随机数经总线输出配置时钟信号，基于一个I/O模块控制，实现量子随机数的并行提取及合成输出。该部分利用Speedcore工艺技术，将FPGA的功能集成到ASIC(Application Specific Integrated Circuit)中，可消除在印制电路板上放置独立FPGA时所造成的可靠性和良率损失，同时将功耗以及系统成本降低。
本发明的益效果是：(1)本发明以超辐射发光二极管以及Y-型光波导提供宽带真空量子噪声为量子熵源，同时基于芯片化FPGA实现熵源离散化提取宽探测带宽内多个相互独立的量子频模作为子熵源，实现量子随机数的并行产生，相比于传统后处理方式可以显著提高量子熵源利用率及量子随机数产生速率。(2)真空量子噪声熵源探测部分利用集成超辐射发光二极管提供本底光，光分束部分采用Y-型光波导替代传统的偏振分束器件组，可以在硅芯片上集成；熵源探测及提取部分构建实现高度集成，高增益的宽带量子的探测系统，及量子态多模并行提取的混频滤波电路，在印刷电路板上集成。实现了一种功耗低、集成度高、稳定性好、产率高的安全性信息论可证明的真随机码发生器。(3)量子随机数的实时并行后处理在单个FPGA芯片内实现，设计及构建了二级并行量子随机数的托普利兹哈希提取器，充分利用了FPGA的并行算法优势，高效调用了FPGA的逻辑运算资源，稳定高效、成本集约地实现了量子随机数的高速实时后处理。
附图说明
图1为量子随机数产生及并行集成电路设计及后处理方案示意图；
图2为传统分离原件的偏振分束器示意图；
图3是Y型光波导的工作原理示意图；
图4为探测器输出频谱图；
图5为滤波频谱统计图；
图6为滤波电压频率对应图
图7为NIST(美国国家标准技术研究所，National Institute of Standards andTechnology)测试图；
其中，1-超辐射发光二极管；2-Y型光波导分束器；3-光电探测器；4-光电探测器；5-差分器；6-混频器；7-射频信号发生器；8-低通滤波器；9-低通滤波器；10-模数转换器；11-现场可编辑门阵列。
具体实施方式
一种高速量子随机码发生器，包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路。
(一)集成熵源系统的搭建。超辐射发光二极管1输出连续波激光，经Y-型光波导2输出光强几乎相等的两束光(本底光和信号光)。单向Y-型光波导2可视为具有三个输入和三个输出，当左边输入端仅有本底光输入而无反射，本底相干光光强被平均分配到两个输出端；右边两端无光强输入而只有真空场耦合进入，则光探测器接收光电信号的方差起伏等效于本底光放大的真空场量子起伏。在Y-型光波导2的输出处的平均光子数可以用光电探测器输出的平均光电流来监测。Y-型光波导2输出处的两端分别提供整个零拍探测系统的本底光和信号光，光强基本相等的两束光信号分别入射到高量子效率且性能对称的两个光电二极管上，产生的差分电流强度仅与探测器的量子效率和输入端的本底光强有关，而交流部分则比例于真空态分量的量子起伏。
(二)集成探测系统搭建。在硅光子芯片上将零差探测器光学集成，零差探测系统包括：两个光电探测器、差分器5、混频器6、射频信号发生器7、两个低通滤波器、模数转换器10。通过对LO(本底光)不同相位的测量，监测经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化来得到最佳本底光强。平衡探测光电信号经差分器5与射频发生器7产生特定频率的射频信号经混频器6混频，经过低通滤波器滤波处理，最后模数转化器(10)将光电流信号转化为数字信号。由光电探测器产生的电子信号通过放大电路在印刷电路板(PCB)上进行集成。图2中向分束器的A1输入端发送相干状态，向另一输入端发送真空状态，当分束器对称时，输出B1,B2与输入A1满足：
Figure BDA0002513431070000031
即光场振幅的投影。图3中，利用l表示端口1的输入信号与端口2，3的输出信号关系；利用b表示端口2，3的输入信号与端口1的输出信号关系；利用g表示端口2，3的输入和输出信号关系。将输出与输入用矩阵表示：
Figure BDA0002513431070000032
根据矩阵参数的统一性条件，
Figure BDA0002513431070000033
当左边输入端仅有本底光输入而无反射，本底相干光光强被平均分配到两个输出端,即
Figure BDA0002513431070000034
则输出与输入的关系：
Figure BDA0002513431070000035
即
Figure BDA0002513431070000036
光强被均分，证明与图2分束器起到相同的效果。
(三)量子态多模并行提取电路，基于芯片化FPGA(Field Programmable GateArray)实现熵源离散化及实时高速后处理。各支路输出的基于各真空态频率模的光电信号为并行量子随机数产生提供了熵源。各路的光电压模拟信号经过模数转换器分别数字化，再由基于FPGA内构建的托普利兹哈希提取器进行实时并行后处理，在现场可编辑门阵列FPGA内构建的托普利兹哈希提取器进行实时并行后处理，基于其内部时钟，现场可编辑门阵列FPGA为并行各路信号输入、托普利兹矩阵计算、提取出的真随机数经总线输出配置时钟信号，基于一个I/O模块控制，实现量子随机数的并行提取及合成输出。该部分利用Speedcore工艺技术，将现场可编辑门阵列FPGA的功能集成到ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)中，可消除在印制电路板上放置独立现场可编辑门阵列FPGA时所造成的可靠性和良率损失，同时将功耗以及系统成本降低。
本底光源采用超辐射发光二极管(SLD)，体积小、功耗低、稳定性好；Y-型光波导分束器设计尺寸大小为100nm～300nm，替代传统分离原件的偏振分束光学系统，集成度高，稳定性好。平衡零拍探测系统部分集成在尺寸大小为1mm2左右的硅芯片上，将探测系统的电路部分集成在大小为100～400mm2印刷电路板(PCB)上。嵌入式FPGA集成在定制50～200nm2的ASIC上。

Claims (1)

1.一种高速量子随机码发生器，其特征在于：包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路，集成熵源系统包括顺序连接的超辐射发光二极管（1）、Y-型光波导（2），集成探测系统包括第一光电探测器（3）、第二光电探测器（4）、差分器（5）、混频器（6）、射频信号发生器（7）、第一低通滤波器（8）、第二低通滤波器（9）、模数转换器（10），量子态多模并行提取电路包括可编辑门阵列（11），超辐射发光二极管（1）输出连续波激光进入Y-型光波导（2），Y-型光波导（2）输出光强相等的本底光和信号光两束光，本底光和信号光分别被第一光电探测器（3）和第二光电探测器（4）探测，第一光电探测器（3）和第二光电探测器（4）探测到的信息经差分器（5）与射频信号发生器（7）产生特定频率的射频信号经混频器（6）混频后通过第一低通滤波器（8）和第二低通滤波器（9）进行滤波，经转换器（10）转换模数后进入可编辑门阵列（11）生成随机码；可编辑门阵列（11）基于芯片化FPGA实现熵源离散化及实时高速后处理，各支路输出的基于各真空态频率模的光电信号为并行量子随机数产生提供了熵源，各路的光电压模拟信号经模数转换器实现数字化， FPGA内构建的托普利兹哈希提取器进行实时并行后处理，基于其内部时钟，FPGA为并行各路信号输入、托普利兹矩阵计算、提取出的真随机数经总线输出配置时钟信号，基于一个I/O模块控制，实现量子随机数的并行提取及合成输出。
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