CN111880765B - 一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法 - Google Patents

一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法，包括以下步骤：首先，对量子随机源生成的若干个量子态进行分布式测量，并获取量子态信号；然后，基于量子内秉随机性选择不同路径下的钟摆变换算子，所述钟摆变换算子对获取的所述量子态信号进行变换处理，形成最终的量子随机数。本发明采用基于传统方式产生的原始信号，对量子随机源进行分布式测量，设计钟摆算子选择与随机位计算机制，依据分布式测量获取最终的随机位数值，形成可供加密使用的随机数。

Description

一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法
技术领域
本发明涉及随机数产生技术领域，尤其涉及一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法。
背景技术
随机数是现代加密系统中密钥、初始化向量和随机填充值等数据产生的源泉。现有的密钥、初始化向量和随机填充值的产生多依赖于伪随机因子，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，造成巨大威胁，给各类加密系统的安全性提出挑战。
量子随机数的随机性是由量子力学基本原理保证，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，基于一定的量子效应采集手段，进而产生量子随机序列。量子随机数是迄今为止唯一从理论上可以证明的真随机数，而基于真随机数所产生的密钥在抗量子计算和破解算法上有先天优势，具有极高的安全性。但由于量子效应采集器件的自身因素会引进特殊的非理想偏置，所以随机数的后处理算法也深刻影响随机数的质量。以往的后处理算法多依赖于诸如Trevisan和Toeplitz矩阵方法矩阵等数学方法对序列进行数学操作，往往存在效果上限和量子性后脱散影响。
发明内容
本发明提供了一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法，以钟摆算子设计为核心，可以基于量子力学理论的安全优势，克服以往的后处理设计在可靠性和随机质量上的瓶颈。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法，包括以下步骤：首先，对量子随机源生成的若干个量子态进行分布式测量，并获取量子态信号；然后，基于量子内秉随机性选择不同路径下的钟摆变换算子，所述钟摆变换算子对获取的所述量子态信号进行变换处理，形成最终的量子随机数。
进一步的，对所述量子随机源生成的若干个量子态进行包括初始量子态和分束量子态的测量。
进一步的，选用弱光飞秒激光器作为所述量子随机源。
进一步的，所述弱光飞秒激光器中心波长为1550nm。
进一步的，所述量子态信号的获取选用单光子探测器，所述单光子探测器对所述初始量子态和分束量子态进行测量并计数。
进一步的，通过所述单光子探测器获取所述分束量子态的垂直基和斜角基的测量值。
进一步的，所述钟摆变换算子写定在Virtex-7系列FPGA芯片，作为后处理模块。
进一步的，所述钟摆变换算子包括钟摆左算子和钟摆右算子；基于所述初始量子态的测量结果选择所述钟摆左算子或所述钟摆右算子。
进一步的，当所述初始量子态的测量结果为0时，选择所述钟摆左算子；当所述初始量子态测量结果为1时，选择所述钟摆右算子。
进一步的，定义所述钟摆左算子：定义所述钟摆右算子：/>
其中，N为测量的量子态总数，nc为分束量子态垂直基测量结果，nx为分束量子态斜角基测量结果；
进一步的，当选择所述钟摆左算子，比较与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1；
当选择所述钟摆右算子，比较与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
本发明采用基于传统方式产生的原始信号，对量子随机源进行分布式测量，设计钟摆算子选择与随机位计算机制，依据分布式测量获取最终的随机位数值，形成可供加密使用的随机数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明基于钟摆算子的量子随机数生成方法的系统结构示意图。
附图标记：
1、弱光飞秒激光器；2、分束器；3、单光子探测器；4、后处理模块。
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，以下结合附图及实施例，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。
本实施例中公开了一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法，包括以下步骤：首先，对量子随机源生成的若干个量子态进行分布式测量，并获取量子态信号。具体来说，选用弱光飞秒激光器1作为量子随机源。对量子随机源生成的若干个量子态进行包括初始量子态和分束量子态的测量。量子态信号的获取选用单光子探测器2，单光子探测器2对初始量子态和分束量子态进行测量并计数。单光子探测器获取分束量子态的垂直基和斜角基的测量值。
然后，基于量子内秉随机性选择不同路径下的钟摆变换算子，钟摆变换算子对获取的量子态信号进行变换处理，形成最终的量子随机数。具体来说，钟摆变换算子包括钟摆左算子和钟摆右算子；基于初始量子态的测量结果选择钟摆左算子或钟摆右算子。当初始量子态的测量结果为0时，选择钟摆左算子；当初始量子态测量结果为1时，选择钟摆右算子。
定义钟摆左算子：定义钟摆右算子：/>
当选择钟摆左算子，比较与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1。当选择钟摆右算子，比较/>与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1。其中，N为测量的量子态总数，nc为分束量子态垂直基测量结果，nx为分束量子态斜角基测量结果。
如图1所示，本发明具体操作流程为：
(1)调控弱光飞秒激光器1、单光子探测器3等设备运行状态。
(2)将钟摆变换算子写定在Virtex-7系列FPGA芯片中，作为后处理模块4。
(2)在时序同步电路的触发下，弱光飞秒激光器1的中心波长为1550nm，制备相同N个量子态，量子态经过分束器2后，分别进入分束测量路径和初始测量路径；
(3)通过单光子探测器获取初始测量路径中的初始量子态的探测置，通过单光子探测器获取分束测量路径中的分束量子态的垂直基和斜角基测量值，单光子探测器(TCSPC)的探测效率>85％，探测器计数率>500MHz。
(4)基于初始量子态的测量结果选择钟摆左算子或右算子：如果测量结果为0，选择左算子；如果测量结果为1，选择右算子。
(5)当选择钟摆左算子时，基于分束量子态垂直基和斜角基计数结果，比较与的大小，若前者大，确认该随机信号位为0，否则为1；
当选择钟摆右算子时，基于分束量子态垂直基和斜角基计数结果，比较与/>的大小，若前者大，确认该随机信号位为0，否则为1。
(6)生成了10.6×108比特的随机序列，序列熵值达到了0.998986，形成量子随机数。
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 (11)

1.一种基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，对量子随机源生成的若干个量子态进行分布式测量，并获取量子态信号；然后，基于量子内秉随机性选择不同路径下的钟摆变换算子，所述钟摆变换算子对获取的所述量子态信号进行变换处理，形成最终的量子随机数；
对所述量子随机源生成的若干个量子态进行包括初始量子态和分束量子态的测量；
所述量子态信号的获取选用单光子探测器，所述单光子探测器对所述初始量子态和分束量子态进行测量并计数；
所述钟摆变换算子包括钟摆左算子和钟摆右算子；基于所述初始量子态的测量结果选择所述钟摆左算子或所述钟摆右算子。
2.根据权利要求1所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，对所述量子随机源生成的若干个量子态进行包括初始量子态和分束量子态的测量。
3.根据权利要求2所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，选用弱光飞秒激光器作为所述量子随机源。
4.根据权利要求3所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，所述弱光飞秒激光器中心波长为1550nm。
5.根据权利要求2所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，所述量子态信号的获取选用单光子探测器，所述单光子探测器对所述初始量子态和分束量子态进行测量并计数。
6.根据权利要求5所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，通过所述单光子探测器获取所述分束量子态的垂直基和斜角基的测量值。
7.根据权利要求6所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，所述钟摆变换算子写定在Virtex-7系列FPGA芯片，作为后处理模块。
8.根据权利要求7所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，所述钟摆变换算子包括钟摆左算子和钟摆右算子；基于所述初始量子态的测量结果选择所述钟摆左算子或所述钟摆右算子。
9.根据权利要求8所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，当所述初始量子态的测量结果为0时，选择所述钟摆左算子；当所述初始量子态测量结果为1时，选择所述钟摆右算子。
10.根据权利要求9所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，
定义所述钟摆左算子：定义所述钟摆右算子：/>
其中，N为测量的量子态总数，nc为分束量子态垂直基测量结果，nx为分束量子态斜角基测量结果。
11.根据权利要求10所述的基于钟摆算子的量子随机数生成方法，其特征在于，当选择所述钟摆左算子，比较与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1；
当选择所述钟摆右算子，比较与/>的大小，若前者大，确认随机信号位为0，否则为1。/>
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101390082A (zh) * 2006-02-27 2009-03-18 E.P实验有限公司 优化计量标准的方法及在工业工程计算方法中的应用
CN107256141A (zh) * 2017-06-19 2017-10-17 中国科学技术大学 测量端器件无关的量子随机数发生器
CN108259168A (zh) * 2018-01-02 2018-07-06 中南大学 基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法
CN109100872A (zh) * 2017-12-29 2018-12-28 珠海迈时光电科技有限公司 光分束器及包含相同光分束器的光学设备
CN110470376A (zh) * 2019-08-16 2019-11-19 天津大学 一种干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法
DE102018210799A1 (de) * 2018-06-29 2020-01-02 Ait Austrian Institute Of Technology Gmbh Verfahren zur Erzeugung von auf Quantenrauschen basierenden Zufallszahlen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101390082A (zh) * 2006-02-27 2009-03-18 E.P实验有限公司 优化计量标准的方法及在工业工程计算方法中的应用
CN107256141A (zh) * 2017-06-19 2017-10-17 中国科学技术大学 测量端器件无关的量子随机数发生器
CN109100872A (zh) * 2017-12-29 2018-12-28 珠海迈时光电科技有限公司 光分束器及包含相同光分束器的光学设备
CN108259168A (zh) * 2018-01-02 2018-07-06 中南大学 基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法
DE102018210799A1 (de) * 2018-06-29 2020-01-02 Ait Austrian Institute Of Technology Gmbh Verfahren zur Erzeugung von auf Quantenrauschen basierenden Zufallszahlen
CN110470376A (zh) * 2019-08-16 2019-11-19 天津大学 一种干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李琪.针灸治疗慢性萎缩性胃炎临床随机对照试验研究综述.《世界科学技术-中医药现代化》.2019,第21卷(第8期),1563-1572. *

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