CN112732225B - 一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，包括有脉冲激光光源，耦合器，时域脉冲平衡零拍探测器，时钟恢复模块，时钟精确延时模块，数据采集装置及数据处理装置，本发明提供的装置采用时域脉冲平衡零拍探测器替代频域平衡零拍探测器，同时无需混频器、低通滤波器等元器件，在实现量子随机数生成的同时，简化随机数产生装置的硬件结构，有效降低了装置的体积和重量。

Description

一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器
技术领域
本发明涉及量子随机数发生装置领域，尤其涉及一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器。
背景技术
随着科学技术的飞速发展和国际局势的瞬息万变，信息安全正变得越来越受到科学家及国家的重视，其中量子随机数由于其不可预测的性质，在信息安全领域有着巨大的优势。量子随机数产生的原理方法主要为：测量光子路径、光子到达时间、光子数分布、相位噪声、放大自发辐射和真空噪声起伏。其中基于真空噪声起伏原理的量子随机数发生器具有真空态易制备、稳定性好、易于实现高速化和集成化应用。
目前最常见的基于真空噪声起伏原理的量子随机数产生装置为频域平衡零拍探测器，其具有较高的带宽，随机数产生速率最高可接近20GHz，但该装置需混频器和滤波器等器件，因此其结构复杂，重量及体积大，当面对一些对带宽要求不高、但对成本及空间要求严格的应用场所时，频域平衡零拍探测器常因其自身缺陷无法正常开展工作。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，从而可解决现有的频域平衡零拍探测器因结构复杂、重量及体积大导致特定场合无法使用的问题。
为实现本发明目的而提供的一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，包括有脉冲激光光源、耦合器、时域脉冲平衡零拍探测器、时钟恢复模块、时钟精确延时模块、数据采集装置及数据处理装置，所述脉冲激光光源发出的脉冲光经耦合器后分为第一脉冲光和第二脉冲光，所述第一脉冲光进入时域脉冲平衡零拍探测器，以产生真空散粒噪声信号，所述第二脉冲光进入时钟恢复模块，以产生与第二脉冲光同步的时钟信号，所述时钟信号经时钟精确延时模块进行延时处理，以产生延时信号，所述真空散粒噪声信号进入数据采集装置的信号输入端口，所述延时信号进入数据采集装置的外接时钟输入端口，所述数据采集装置的输出信号进入数据处理装置进行计算处理，以产生量子随机数。
作为上述方案的进一步改进，所述脉冲激光光源可将与输出脉冲光同步的时钟信号直接接入时钟精确延时模块。
作为上述方案的进一步改进，所述耦合器为单模光纤耦合器。
作为上述方案的进一步改进，所述时域脉冲平衡零拍探测器内设置有50/50耦合器。
作为上述方案的进一步改进，所述时域脉冲平衡零拍探测器输出的真空散粒噪声信号具有较为平缓的脉冲顶部，以确保信号峰值采集的精度。
作为上述方案的进一步改进，所述数据处理装置可实现量化、最小熵的计算及托普利茨-哈希提取算法的处理。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，采用时域脉冲平衡零拍探测器替代频域平衡零拍探测器，同时无需混频器、低通滤波器等元器件，在实现量子随机数生成的同时，简化随机数产生装置的硬件结构，有效降低了装置的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中时域脉冲平衡零拍探测器装置图；
图3为本发明的装置图；
图4为本发明的脉冲形真空散粒噪声和时钟信号；
图5为本发明的噪声时序分布图；
图6为本发明的噪声统计布局图；
图7为本发明的Nist检测结果。
其中，1-脉冲激光光源，2-耦合器，3-时域脉冲平衡零拍探测器，4-时钟恢复模块，5-时钟精确延时模块，6-数据采集装置，7-数据处理装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
如图1-图7所示，一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，包括有脉冲激光光源1、耦合器2、时域脉冲平衡零拍探测器3、时钟恢复模块4、时钟精确延时模块5、数据采集装置6及数据处理装置7，所述脉冲激光光源1可发出消光比35dB，强度为107光子/脉冲，重复速率为1MHz的脉冲光，是由脉冲发生器的CH1通道驱动强度调制器AM将1550nm DFB激光器输出的连续光调制成50ns生成，所述耦合器2为单模光纤耦合器，所述脉冲激光光源1发出的脉冲光经耦合器2后分为第一脉冲光和第二脉冲光，所述时域脉冲平衡零拍探测器3内设置有50/50耦合器，所述第一脉冲光进入时域脉冲平衡零拍探测器3，以产生真空散粒噪声信号，所述第二脉冲光进入时钟恢复模块4，以产生与第二脉冲光同步的时钟信号，所述时钟信号经时钟精确延时模块5进行延时处理，以产生延时信号，所述真空散粒噪声信号进入数据采集装置6的信号输入端口，所述延时信号进入数据采集装置6的外接时钟输入端口，所述数据采集装置6的输出信号进入数据处理装置7进行量化、最小熵的计算及托普利茨-哈希提取算法的处理，以产生量子随机数，其中所述脉冲激光光源1也可将与输出脉冲光同步的时钟信号直接接入时钟精确延时模块5。
在本振光功率为45μW时，将数据采集装置6的采样范围设置在±0.2V，采样速率与系统脉冲重复速率一致，为1MS/s。
经统计分析散粒噪声总方差
Figure BDA0002876295790000041
电子学噪声方差
Figure BDA0002876295790000042
/>
从而得出量子噪声方差为
Figure BDA0002876295790000043
计算出系统的
最小熵＝6.93bits/8bits＝0.866bit/bit
即从原始数据最多可提取出86.6％的量子随机数。
对采样的数据进行量化和托普利茨-哈希提取后，进行Nist检测。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于时域脉冲平衡零拍探测方案的量子随机数产生器，其特征在于：包括有脉冲激光光源(1)、单模光纤耦合器(2)、时域脉冲平衡零拍探测器(3)、时钟恢复模块(4)、时钟精确延时模块(5)、数据采集装置(6)及数据处理装置(7)，所述脉冲激光光源(1)发出的脉冲光经单模光纤耦合器(2)后分为第一脉冲光和第二脉冲光，所述第一脉冲光进入内设置有50/50耦合器的时域脉冲平衡零拍探测器(3)，以产生真空散粒噪声信号，所述真空散粒噪声信号具有较为平缓的脉冲顶部，以确保信号峰值采集的精度，所述第二脉冲光进入时钟恢复模块(4)，以产生与第二脉冲光同步的时钟信号，所述时钟信号经时钟精确延时模块(5)进行延时处理，以产生延时信号，所述真空散粒噪声信号进入数据采集装置(6)的信号输入端口，所述延时信号进入数据采集装置(6)的外接时钟输入端口，所述数据采集装置(6)的输出信号进入数据处理装置(7)进行量化、最小熵的计算及托普利茨-哈希提取算法的处理，以产生量子随机数。
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