CN113031919A - 基于相干光接收机的量子随机数发生装置、方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置、方法及设备，包括本振光源、相干光接收机和数据采集处理模块，所述本振光源连接在相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；相干光接收机被配置为对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；相干光接收机的输出端连接有数据采集处理模块，数据采集处理模块被配置为对相干光接收机输出的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。本公开具有稳定性高、小型化和低成本的优点，并可实现多路随机数生成。

Description

基于相干光接收机的量子随机数发生装置、方法及设备
技术领域
本公开属于量子随机数发生技术领域，具体涉及一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置、方法及设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等都有广泛应用。现有的量子随机数发生器方案中，基于单光子路径选择的方案，其比特率可达到1Mbps量级；而基于光子到达时间的方案，其比特率达到了100Mbps量级。对于下一代高速量子通信系统，需要的随机数生成的比特率需达到10Gbps以上，这就需要新的技术方案来满足对比特率的需求。
据发明人了解，目前用于量子通信领域的随机数发生器主要包括基于激光器波动的量子随机数发生器和基于真空态的量子随机数发生器两种。但这两种并不能很好的满足量子通信的要求。
基于激光器波动的量子随机数发生器基本原理如图1所示，其工作基本流程如下：激光器工作时直流偏置在其阈值电流附近，使激光器能自发辐射并输出连续光；激光器输出光经过环形器后输入到不等臂F-M干涉仪中；连续光经过干涉仪发生干涉后经环形器后被探测器所探测，从而使激光器相位波动信息转化为探测器输出强度信息；采集处理模块对探测器输出进行放大、采样并进行后处理得到量子随机数。可以看出，在此过程中，必须使用到干涉仪，因此不可避免的非常容易受环境因素影响，从而导致稳定性差。此外，如果在相干光接收端增加量子随机数发生器功能，就需要增加量子随机数发生器模块，不利于小型化和低成本。
而基于真空态的量子随机数方案虽然可以解决上述问题，但是由于目前真空涨落量子随机数发生器基本是采用平衡探测方案，实际上最终为单路输出，其速率依旧受限，且在相干光通信系统中需要增加额外的量子随机数发生器装置。例如，公开号CN108536424A的专利提供了一种基于真空态的量子随机数发生器，包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器。光源将生成的相干光输出至分束器的第一输入端；分束器的第二输入端接收真空态；分束器将相干光和真空态分成两束光信号分别输出至第一、第二探测器；第一探测器将光信号转换成第一电流信号并将其输出至减法器的第一输入端；第二探测器将光信号转换成第二电流信号并将其输出至减法器的第二输入端；减法器将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；转换器将差值转换成离散的数字信号。该方案通过零差探测，提取了真空态随机信号，并转化为随机数字信号。该方案采用分立器件实现，整体尺寸大、功耗高。而且，由于分束器的分光比很难做到精准的50:50，因此分束器输出的两束信号光功率会存在差异，导致零差探测无法彻底消除本振光，影响真空态光信号的提取。如图2所示，公开号CN108491185A的专利公开了一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路，其中：所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接放大器。该方案使用硅基波导技术实现了光学器件和电子学器件的芯片集成。但该方案随机数芯片部分仅集成了光信号处理器件，光源部分仍需外接，其中以激光器连接分束器的一输入端，以激光器输出的连续激光作为本振光源，分束器的另一端空置，即作为真空态光。由于实际器件存在端面反射，无论是采用分立器件还是集成芯片，在光信号传输过程中，都会有部分被反射的杂散光进入分束器的空置输入端，将对真空态光场造成干扰。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置、方法及设备，本公开具有稳定性高、小型化和低成本的优点，并可实现多路随机数的并行生成。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，包括本振光源、相干光接收机和数据采集处理模块，所述本振光源连接在相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；
所述相干光接收机被配置为对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；
所述相干光接收机的输出端连接有数据采集处理模块，所述数据采集处理模块被配置为对相干光接收机输出的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
上述方案充分利用相干光接收机灵敏度高，传输的中继距离长，更有利于充分利用光纤的带宽，提高通信质量的优点，无额外成本，对系统集成化不造成额外负担。
作为可选择的实施方式，所述相干光接收机，包括两个输入端子、偏振分束器、偏振旋转器、分束器、X偏振90°混频器、Y偏振90°混频器、多个平衡探测器和多个放大器，其中：
第一输入端子作为真空态输入端；
第二输入端子用于输入本振光，所述分束器用于将输入的本振光分为两路，其中一路光传输路径上设置有所述偏振旋转器和X偏振90°光混频器；另一路光传输路径上设置有所述Y偏振90°光混频器；
所述X偏振90°光混频器的N个输出端口分别设置有一个平衡探测器，各平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到N/2路真空涨落信号；
所述Y偏振90°光混频器的N个输出端口分别设置有一个平衡探测器，各平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到另外N/2路真空涨落信号；
N路真空涨落信号的传输路径上分别设置有一放大器，能够将所述真空涨落信号转化为电压信号。
其中，N为正偶数。
上述方案可实现多路并行超高速随机数生成，提高随机数生成的速率。
作为可选择的实施方式，所述X偏振90°光混频器包括四个相同的分束器和90°相移元件，第一分束器用于接收输入的真空态信号，产生的两路真空态信号的传输路径上分别设置有第三分束器和第四分束器；第二分束器用于接收本振光，产生的两路光一路能够被第三分束器接收，另一路通过所述90°相移元件被所述第四分束器接收。
作为可选择的实施方式，所述Y偏振90°光混频器包括四个相同的分束器和90°相移元件，第一分束器用于接收输入的真空态信号，产生的两路真空态信号的传输路径上分别设置有第三分束器和第四分束器；第二分束器用于接收本振光，产生的两路光一路能够被第三分束器接收，另一路通过所述90°相移元件被所述第四分束器接收。
作为可选择的实施方式，所述X偏振90°光混频器将输入的两路信号进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口分别经一个平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两个真空涨落信号。
作为可选择的实施方式，所述Y偏振90°光混频器将输入的两路信号进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口分别经一个平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两个真空涨落信号。
作为可选择的实施方式，所述放大器为跨阻放大器。
作为可选择的实施方式，所述相干光接收机为硅基集成相干光接收机，各元件之间由硅波导连接。
一种利用上述装置的随机数发生方法，本振光源产生的本振信号输入到相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；
所述相干光接收机对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；
所述数据采集处理模块对所述电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
作为进一步的限定，第一输入端子无任何光输入，作为真空态输入端；
第二输入端子输入本振光，本振光经分束器分束后，其中一路经过偏振旋转器旋转后输入X偏振90°光混频器，另一路直接输出至Y偏振90°光混频器；X偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两路真空涨落信号；Y偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到另外两路真空涨落信号；四路真空涨落信号分别各自经过一个放大器转化为电压信号，数据采集处理模块对放大的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
一种量子通信设备，包括上述量子随机数发生装置，并利用其产生随机数。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开具有稳定性、小型化和低成本的优点，利用相干光接收机实现量子随机数生成，方案简单，可实现并行产生多路随机数，可大大提高目前量子随机数速率，无额外成本，对系统集成化不造成额外负担。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是现有技术一基于激光器相位波动的量子随机数发生器；
图2是现有技术二基于真空涨落的量子随机数发生器装置；
图3是本公开的工作原理图；
图4是2X4 90°光混频器基本原理。
其中，1：激光器，2：真空态，3：分束器；4、5：可调光衰减器，6、7：光电探测器，8：跨阻放大器，9：ADC。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所述的，如图1所示的基于激光器相位随机波动的量子随机数发生器目前是较为商用化和市场化的产品，方案相对简单，采用的器件也均为商用器件。但是在基于激光器相位波动的量子随机数发生器中，由于使用到干涉仪，因此不可避免的非常容易受环境因素影响，从而导致稳定性差。此外，如果在相干光接收端增加量子随机数发生器功能，就需要增加量子随机数发生器模块，不利于小型化和低成本。
如图2所示的基于真空涨落原理的量子随机数发生器虽然可以解决上述问题，但是由于目前真空涨落量子随机数发生器基本是采用平衡探测方案，实际上最终为单路输出，其速率依旧受限，且在相干光通信系统中需要增加额外的量子随机数发生器装置。
如图3所示，本实施例提供了一种量子随机数发生装置，包括本振光源(图中未示出)、相干光接收机和数据采集处理模块，所述本振光源连接在相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；
所述相干光接收机被配置为对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；
所述相干光接收机的输出端连接有数据采集处理模块，所述数据采集处理模块被配置为对相干光接收机输出的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
充分利用相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中继距离长，更有利于充分利用光纤的带宽，提高通信质量的优点，可实现多路并行超高速随机数生成，无额外成本，对系统集成化不造成额外负担。
相干光接收机有两根输入光纤，分别为输入信号光的单模光纤和输入本振光的保偏光纤；信号光(在本实施例中，即为真空态信号，下同)进入接收机后，通过偏振分束器分成两路正交偏振光，分别送入两个90°光混频器；本振光进入接收机后，由分束器分为两路，其中一路经偏振旋转器旋转90°后，送入X偏振的90°光混频器与X偏振态的信号光进行干涉；而另一路则直接送入Y偏振的90°光混频器，与Y偏振态的信号光进行干涉；两个90°光混频器输出的干涉信号通过8个光电探测器PD进行光电转换后，得到的光电流送入2对差分跨组放大器，最终转换为差分射频电压信号输出。
为简单计算起见，假设信号光和本振光频率相同，信号光和本振光的光场分别为Es和EL：
Figure BDA0002336042190000111
Figure BDA0002336042190000112
如图4所示，2X4 90°光混频器是将真空态信号和本振光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，因此可以通过各自相减得到两个相干信号。
2X4 90°光混频器的四个输出端分别为：
Figure BDA0002336042190000113
假设光电探测器响应度为R，则90°光混频器之后的四路探测器响应光电流分别为：
Figure BDA0002336042190000114
Figure BDA0002336042190000115
Figure BDA0002336042190000116
Figure BDA0002336042190000121
可以看出通过光电探测器响应各路光之后，i1与i2之间的光电流直流分量相等；i3与i4之间的光电流直流分量相等；同样的，在相干光接收机的Y偏振90°光混频器可以得到类似的结果。
上述装置产生量子随机数的方法和流程如下：
首先相干光接收机信号输入端没有任何光输入，作为真空态输入端，本振光经分束器分束后，其中一路经过偏振旋转器旋转后输入X偏振90°光混频器，另一路直接输出至Y偏振90°光混频器；X偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，因此可以通过各自相减得到两路真空涨落信号；Y偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，因此可以通过各自相减得到另外两路真空涨落信号。上述四路真空涨落信号分别各自经过一个跨阻放大器转化为电压信号，数据采集处理模块对放大的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
在实施例中，还提供一种量子通信设备(例如量子密钥分发系统)，包括上述量子随机数发生装置，并利用其产生随机数。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：包括本振光源、相干光接收机和数据采集处理模块，所述本振光源连接在相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；
所述相干光接收机被配置为对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；
所述相干光接收机的输出端连接有数据采集处理模块，所述数据采集处理模块被配置为对相干光接收机输出的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
2.如权利要求1所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述相干光接收机，包括两个输入端子、偏振分束器、偏振旋转器、分束器、X偏振90°混频器、Y偏振90°混频器、多个平衡探测器和多个放大器，其中：
第一输入端子作为真空态输入端；
第二输入端子用于输入本振光，所述分束器用于将输入的本振光分为两路，其中一路光传输路径上设置有所述偏振旋转器和X偏振90°光混频器；另一路光传输路径上设置有所述Y偏振90°光混频器；
所述X偏振90°光混频器的N个输出端口分别设置有一个平衡探测器，各平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到N/2路真空涨落信号；
所述Y偏振90°光混频器的N个输出端口分别设置有一个平衡探测器，各平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到另外N/2路真空涨落信号；
N路真空涨落信号的传输路径上分别设置有一放大器，能够将所述真空涨落信号转化为电压信号。
3.如权利要求2所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述X偏振90°光混频器包括四个相同的分束器和90°相移元件，第一分束器用于接收输入的真空态信号，产生的两路真空态信号的传输路径上分别设置有第三分束器和第四分束器；第二分束器用于接收本振光，产生的两路光一路能够被第三分束器接收，另一路通过所述90°相移元件被所述第四分束器接收。
4.如权利要求2所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述Y偏振90°光混频器包括四个相同的分束器和90°相移元件，第一分束器用于接收输入的真空态信号，产生的两路真空态信号的传输路径上分别设置有第三分束器和第四分束器；第二分束器用于接收本振光，产生的两路光一路能够被第三分束器接收，另一路通过所述90°相移元件被所述第四分束器接收。
5.如权利要求2或3所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述X偏振90°光混频器将输入的两路信号进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口分别经一个平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两个真空涨落信号。
6.如权利要求2或4所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述Y偏振90°光混频器将输入的两路信号进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口分别经一个平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两个真空涨落信号。
7.如权利要求2所述的一种基于相干光接收机的量子随机数发生装置，其特征是：所述放大器为跨阻放大器；
或，所述相干光接收机为硅基集成相干光接收机。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的装置的随机数发生方法，其特征是：本振光源产生的本振信号输入到相干光接收机的一输入端，相干光接收机的另一输入端无任何光输入，作为真空态输入端；
所述相干光接收机对输入的光进行分束、偏振、干涉和转换作用，得到电压信号；
所述数据采集处理模块对所述电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
9.如权利要求8所述的随机数发生方法，其特征是：第一输入端子无任何光输入，作为真空态输入端；
第二输入端子输入本振光，本振光经分束器分束后，其中一路经过偏振旋转器旋转后输入X偏振90°光混频器，另一路直接输出至Y偏振90°光混频器；X偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到两路真空涨落信号；Y偏振90°光混频器的四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°和270°，其中0°和180°以及90°和270°端口经平衡探测器所得的光电流直流分量相等，通过各自相减得到另外两路真空涨落信号；四路真空涨落信号分别各自经过一个放大器转化为电压信号，数据采集处理模块对放大的电压信号进行数据采集并量化生成分析数据，然后将分析数据通过随机数后处理方法处理生成随机数。
10.一种量子通信设备，其特征是：包括如权利要求1-7中任一项所述的量子随机数发生装置，并利用其产生随机数。
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