CN111880764B - 基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法、装置及发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及随机数产生技术领域，公开了一种基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法、装置及发生器。本发明以电子为量子随机源信号载体，利用单电子器件作为量子随机熵源，调整量子随机熵源的电极与偏压，引起库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；利用采集装置进行原始信号采集，并将采集后的信号利用后处理算法处理，形成可供加密使用的随机数。本发明的量子随机数产生方法、装置及发生器基于电子学设计，具有高鲁棒性、低功耗和高集成度的特点，克服以往的量子随机数发生器在稳定性和可集成性上的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及量子随机数技术领域，尤其涉及一种基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法、装置及发生器。
背景技术
先进的加密技术是保密通信、安全网络、加密终端等安全应用立足的基石。随机数是加密技术中密钥产生的核心部分，而伪随机数的本质缺陷给保密通信、安全网络和加密终端等加密应用带来安全隐患。随着各类前沿破解方案的提出，以量子计算为代表的超级计算能力的不断提高，如果随机因子不够“随机”，算法复杂度也无法抵御新的破解手段，那么攻击者便可以利用自身的超级计算能力或优秀攻击算法，破解伪随机数的规律性、关联性和重复性进行攻击。
在量子信息研究的推动下，出现了产生真正随机数序列的量子随机数发生器，其依据量子力学基本原理，具体实现都是利用微观粒子状态的“内禀随机性”作为随机源，是迄今为止唯一从理论上可证的真随机数产生途径。但现有量子随机数产生方案多集中在基于光学和放射源设计等，存在稳定性、功耗、可集成化等问题或瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法、装置及发生器，基于电子载体，利用电子学方法产生量子随机数，具有高鲁棒性、低功耗和高集成度的特点。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种量子随机数产生方法，利用单电子器件作为量子随机熵源，调整量子随机熵源的电极与偏压，引起库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；采集隧穿信号，并将采集后的信号进行后处理算法处理，形成可供加密使用的随机数。
作为一种可选的实施方式，本发明所述量子随机熵源选用静电屏蔽效应的Si基单电子隧穿结。
作为一种可选的实施方式，所述单电子隧穿结为两个，分别与纳米点级联。
作为一种可选的实施方式，所述隧穿信号经放大后作为原始基于库伦阻塞效应的量子熵源信号。
作为一种可选的实施方式，本发明采用D触发器进行信号采样。
作为一种可选的实施方式，所述后处理算法为Huffman编码方法。
本发明还提供了一种量子随机数生成装置，包括：
信号获取单元：利用单电子器件引起库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；
信号放大单元：用于将产生的隧穿信号放大；
信号采集单元：将放大信号转换为初步随机序列；
数据处理单元：数学后处理优化初步随机序列得到量子随机数。
本发明还提供了一种量子随机数发生器，包括依次电连接的熵源、放大器、采样器和后处理器，所述熵源为能引发库伦阻塞效应的单电子器件。
作为一种可选的实施方式，所述单电子器件包括两个与纳米点级联的单电子隧穿结。
作为一种可选的实施方式，所述放大器为nMOS管。
作为一种可选的实施方式，所述信号采集装置为D触发器。
本发明的技术效果如下：
早期量子随机数发生技术聚焦在基于放射性衰变的随机源，近来国内外突破了诸多基于光路的量子随机数产生技术，但由于随机数产生效率、功耗、稳定性和可靠性等原因，一直无法实现基于量子物理效应的随机数真正实用化。鉴于量子随机数的本质特点，在传统保密通信、安全网络和加密终端都具有重要研究价值，因此本发明提出基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法，据此研制出量子随机数发生器。本发明以电子为量子随机源信号载体，可以基于电子学设计形成鲁棒性强和可集成度高的优势，克服以往的量子随机数发生器在稳定性和可集成性上的瓶颈。
附图说明
图1为本发明基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器的系统流程图；
图2为本发明基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器结构示意图；
其中，1-单电子隧穿结，2-纳米点，3-放大器，4-采样器，5-后处理器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于库伦阻塞效应的量子随机数产生方法，以电子为量子随机源信号载体，可以基于电子学设计形成鲁棒性强和可集成度高的优势，克服以往的量子随机数发生器在稳定性和可集成性上的瓶颈。
图1为本发明基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器的系统流程图。本发明采用基于库伦阻塞效应的量子随机源产生原始信号，对量子随机源进行一定的调节，使得发生库伦阻塞效应的概率稳定在一个需要值，一般设定为50％。利用采集装置进行原始信号采集，并将采集后的信号利用后处理算法处理，形成可供加密使用的随机数。
本发明利用单电子器件作为作为基于库伦阻塞效应的量子随机熵源。单电子器件可选的选用静电屏蔽效应的Si基单电子隧穿结。本发明单电子器件可选设计涵盖纳米点、nMOS管的信号处理电路，产生原始信号。本发明量子随机熵源产生隧穿信号的操作流程可选的按照本领域中的常规操作完成。具体的，首先将量子随机熵源置于恒温环境中，调整量子随机熵源的电极与偏压，使得库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；nMOS管指数放大隧穿信号，放大后的隧穿信号作为原始基于库伦阻塞效应的量子熵源信号。
采集原始产生的量子熵源信号。nMOS管中具有振荡输出特性的电路用来作为A/D转换单元，可选的采用D触发器进行时钟采样，产生采样后的初步随机序列。
对于理想状态下的量子随机数发生器，即不受经典噪声和实际器件等因素的影响，读出系统输出的随机数序列中的随机数是均匀分布的，保持着01比例的均衡。但是，在实际应用中，由于经典噪声和实际器件等因素的影响，随机数序列可能存在分布不均匀的问题。对此，需要后处理单元重新编码读出系统输出的随机数序列，使得随机数序列中的随机数分布均匀。因此，量子随机数的后处理过程实际是数据处理单元对初步随机序列的数据处理优化过程。可选的，本发明采用Huffman编码方法将其进行数学优化，提高其随机信号质量。经过后处理的随机信号，最终成为可用于高安全等级加密使用的量子随机数。
本发明的量子随机数生成装置包括信号获取单元，信号放大单元，信号采集单元和数据处理单元。本发明信号获取单元为单电子器件引发库伦阻塞效应后产生的隧穿信号。单电子器件可选的为单电子隧穿结，优选为两个单电子隧穿结与纳米点级联，再与nMOS管电连接，得到放大的单电子隧穿信号。信号采集单元为将产生的放大单电子隧穿信号转换为初步随机序列。数据处理单元将初步随机序列进行数学后处理优化，得到可用于高安全等级加密使用的量子随机数。
图2为本发明基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器结构示意图，包括依次电连接的下述部件：含有两个Si基单电子隧穿结1与纳米点2级联组成的单电子器件、含有nMOS管组成的放大器3、含有D触发器组成的采样器4和后处理器5。
本发明基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器产生量子随机数的具体实施流程如下：
(1)将基于静电屏蔽效应的的Si基单电子隧穿结置于300K恒温环境中；
(2)调整单电子隧穿结上下电极，使其拥有不同的电荷屏蔽长度；
(3)电源模拟信号Vin施加到单电子隧穿结的输入栅极上，设定Vin＝0.57V，单电子隧穿结中的隧穿信号出现稳定概率发生；
(4)nMOS管的栅极电压周期振荡，此电压的振荡范围在nMOS的亚闽值区，于是振荡偏压就被偏置在恒流源下的nMOS指数放大；
(5)如果在电路中有背景电荷的影响，可以通过改变偏置电压气去消除背景电荷对电路特性的影响；
(6)这种具有振荡输出特性的电路用来作为A/D转换单元，D触发器进行时钟采样，产生采样后的初步随机序列；
(7)采样后的初步随机序列到达后处理阶段，Huffman编码方法将其进行数学优化，提高其随机信号质量；
(8)经过后处理的随机信号，最终成为可用于高安全等级加密使用的量子随机数。
本发明的量子随机数发生器以电子为量子随机源信号载体，基于电子学设计形成鲁棒性强和可集成度高的优势，克服以往的量子随机数发生器在稳定性和可集成性上的瓶颈。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种量子随机数产生方法，其特征在于，利用单电子器件作为量子随机熵源，调整量子随机熵源的电极与偏压，引起库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；
采集隧穿信号，并将采集后的信号进行后处理算法处理，形成可供加密使用的随机数；
对量子随机熵源进行调节，使其发生库伦阻塞效应的概率稳定在需要值；
后处理算法对采集的隧穿信号重新编码读出系统输出的随机数序列，使得随机数序列中的随机数分布均匀；
基于库伦阻塞效应的量子随机数发生器产生量子随机数的具体步骤如下：
（1）将基于静电屏蔽效应的Si基单电子隧穿结置于300K恒温环境中；
（2）调整单电子隧穿结上下电极，使其拥有不同的电荷屏蔽长度；
（3）电源模拟信号Vin施加到单电子隧穿结的输入栅极上，设定Vin=0.57V，单电子隧穿结中的隧穿信号出现稳定概率发生；
（4）nMOS管的栅极电压周期振荡，电压的振荡范围在nMOS的亚闽值区，振荡偏压就被偏置在恒流源下的nMOS指数放大；
（5在电路中有背景电荷的影响时，通过改变偏置电压气去消除背景电荷对电路特性的影响；
（6）具有振荡输出特性的电路用来作为A/D转换单元，D触发器进行时钟采样，产生采样后的初步随机序列；
（7）采样后的初步随机序列到达后处理阶段，Huffman编码方法将其进行数学优化，提高其随机信号质量；
（8）经过后处理的随机信号，最终成为可用于高安全等级加密使用的量子随机数。
2.根据权利要求1所述的量子随机数产生方法，其特征在于，所述量子随机熵源选用静电屏蔽效应的Si基单电子隧穿结。
3.根据权利要求2所述的量子随机数产生方法，其特征在于，所述单电子隧穿结为两个，分别与纳米点级联。
4.根据权利要求1所述的量子随机数产生方法，其特征在于，所述隧穿信号经放大后作为原始基于库伦阻塞效应的量子熵源信号。
5.根据权利要求1所述的量子随机数产生方法，其特征在于，采用D触发器进行信号采样。
6.根据权利要求1所述的量子随机数产生方法，其特征在于，所述后处理算法为Huffman编码方法。
7.一种量子随机数生成装置，其特征在于，包括：
信号获取单元：利用单电子器件引起的库伦阻塞效应变化，产生隧穿信号；
会将基于静电屏蔽效应的Si基单电子隧穿结置于300K恒温环境中；
调整单电子隧穿结上下电极，使其拥有不同的电荷屏蔽长度；
电源模拟信号Vin施加到单电子隧穿结的输入栅极上，设定Vin=0.57V，单电子隧穿结中的隧穿信号出现稳定概率发生；
信号放大单元：用于将产生的隧穿信号放大；
nMOS管的栅极电压周期振荡，电压的振荡范围在nMOS的亚闽值区，振荡偏压就被偏置在恒流源下的nMOS指数放大；
在电路中有背景电荷的影响时，通过改变偏置电压气去消除背景电荷对电路特性的影响；
信号采集单元：将放大信号转换为初步随机序列；
将具有振荡输出特性的电路用来作为A/D转换单元，D触发器进行时钟采样，产生采样后的初步随机序列；
数据处理单元：数学后处理优化初步随机序列得到量子随机数；
采样后的初步随机序列到达后处理阶段，Huffman编码方法将其进行数学优化，提高其随机信号质量；
经过后处理的随机信号，最终成为可用于高安全等级加密使用的量子随机数。
8.一种包含权利要求7中量子随机数生成装置的量子随机数发生器，还包括依次电连接的熵源、放大器、采样器和后处理器，其特征在于，所述熵源为能引发库伦阻塞效应的单电子器件。
9.根据权利要求8所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述单电子器件包括两个与纳米点级联的单电子隧穿结。
10.根据权利要求8所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述放大器为nMOS管，所述采样器为D触发器。
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