CN113037463A - 基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法 - Google Patents

基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法 Download PDF

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Abstract

当前连续变量量子随机数产生速率的瓶颈主要源于两方面限制：量子熵源实际测量中量子熵含量比率低；随机数实时提取后处理速率低；本发明的目的在于提供一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，混沌放大量子噪声将显著提高系统量子熵含量，进而并行实现多路量子随机数的广义哈希后处理，实时高速生成量子随机码，本发明将给连续变量量子噪声为熵源的设备无关、部分设备无关、设备可信的量子随机数发生器提供了一种成本集约、扩展性强、集成度高的熵增方案，将有效促进连续变量量子随机数发生器的实用化。

Description

基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法
技术领域
本发明涉及一种量子随机数发生器，更具体的说，涉及一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法。
背景技术
随着信息化时代的到来，信息安全已与人们的生活息息相关，越来越受到国家和政府的重视。因此，一种高品质的、破译难度较大的加密方法，已成为国内外的研究热点。在此背景下，随机数得到了广泛的应用，随机数发生器的研究从未中止过，而且愈演愈烈。特别是真随机数，由于其具有不可预测性和不可复制或再生的优点，受到了国内外学者的重视。近几十年来 ，世界上许多国家在测不准等基本量子力学原理和量子不可克隆提出的量子密钥分发方案已经取得了重要进展，并且在相关领域研究中取得了丰硕的成果，也建立了各自的量子保密通讯网络，在量子密钥分发方案中整个系统的信息论可证明性充当了通讯安全基本保证的角色，为了使整个系统的安全性可证明成立，用于产生密钥的随机数其随机性必须是信息论可证明的。通讯双方各自拥有其本地的真随机数发生器是最安全的方案。
量子随机数最大的特点是其随机性的信息论可证明性，量子随机数的随机性基于量子物理的不确定性本质；在实际的量子保密通讯过程中，安全的随机数除需要具备信息论可证明的随机性，还需具备防范攻击者的能力。因此，量子随机数发生器的研究和应用显的尤为重要。在量子随机数提取过程中，相比于经典噪声，量子噪声应占主导地位，保证探测信号中量子噪声的高占比才可能保证随机数发生器的安全性，同时有效提高量子随机比特生成速率。
另一方面，在保密通信中，为了防止对手利用掌握的信号中经典噪声部分和量子边信息进行攻击，需要对原始量子随机数进行后处理。到目前为止，已经有多种方法来后处理随机数。基于大型Toeplitz矩阵的广义哈希后处理为安全性信息论可证的后处理。面向实际应用，亟需量子随机数的实时高速产生。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，该发明基于混沌放大量子噪声产生真随机序列，并行实现多路量子随机数的广义哈希后处理，实时高速生成量子随机码。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，基于混沌放大量子噪声提高量子熵源测量中的真随机熵含量，并行实现多路混沌量子子熵源的提取及原始随机数的广义哈希后处理，实时高速生成量子随机码，包括以下步骤：
步骤1. 基于外腔反馈激光器生成混沌光场：DFB激光器发出的激光依次经过偏振控制器、环形器、50/50光纤耦合器、可调衰减器、光隔离器、光纤滤波器形成混沌激光，混沌激光经过第一光纤准直器转变为空间光场平行光，再经过第一半波片入射到第一光学偏振分束器；
步骤2. 建立平衡零拍探测系统，提取混沌激光高频量子模的正交分量起伏噪声作为生成量子随机数的熵源：半导体激光器发出单模连续激光在通过光学器件后，在第二光学偏振分束器后与DFB激光器发出的激光发生相干耦合作为平衡零拍探测的本底光；同时提取混沌激光多个高频边带量子态的分量起伏作为量子随机数产生的子熵源：平衡光电探测器中两个光电探测器转换的两路光电流信号经减法器输出后，又经过功分器分为多路信号输出，射频信号发生器产生的射频信号与功分器产生的光电流信号在混频器上发生混频，混频器输出的信号经低通滤波器滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器转化为数字信号，获得源于各路子熵源的原始随机数；
步骤3. 基于FPGA的并行运算优势，在单个FPGA内构建源于各个子熵源的原始随机数的广义哈希提取器，并行提取量子随机数：基于现场可编程门阵列的并行处理特性，将一个大矩阵运算拆分成多个规模合适的小矩阵运算，并在外层使用缓冲器驱动每个模块的时钟信号，在协调逻辑资源和时钟信号的基础上设计出双层并行流水线算法，模数转换器采集的时钟和现场可编程逻辑阵列中实时并行处理的时钟由内置时钟统一控制；将多通道的输出随机数按位交替混合，并实时通过PCI-E接口传输到计算机，得到基于混沌放大量子噪声实时高速生成的量子随机码。
进一步，步骤1中，50/50光纤耦合器将激光分成两束：一束激光经过可调衰减器反馈到激光器腔内，调节衰减器的强度形成宽带的混沌激光，另一束激光经过光隔离器确保形成的混沌激光单向传输；通过控制驱动电流强度、反馈延迟时间及反馈强度，实现混沌系统输出。
进一步，步骤2中，单模连续激光经过第二半波片后进入第一光学偏振分束器的透射光，作为平衡零拍探测的本底光，再经过第三半波片改变偏振方向后入射至第二光学偏振分束器中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光，P光和S光经干涉选模后分别耦合进第二光纤准直器和第三光纤准直器，然后进入两个光电探测器，将光信号转化为光电流信号并增益放大到宏观水平，经减法器相减，光电流信号的差信号起伏比例于混沌非线性放大散粒噪声的高频量子模噪声，实现混沌光场确定频率及偏振成分的提取。
进一步，双层并行流水线算法实现对多个不同量子边带模式的多组原始随机比特的Toeplitz哈希后处理，在外层，多个子熵源的Toeplitz提取器是独立构建的，并且同时运行；在内层，对于每个量子边带模式，Toeplitz实时后处理都通过流水线算法实现。
进一步，双层流水线算法包括三级模块：第一级是Toeplitz子矩阵生成模块，用于在每个时钟周期构建一个Toeplitz子矩阵，并使用移位反馈寄存器在每个时钟周期对Toeplitz子矩阵更新；第二级是Toeplitz子矩阵运算模块，实现单个子矩阵的计算；第三级是向量寄存异或模块，获得单个子矩阵处理的结果，将结果存储在寄存器中。
综上所述，发明具有以下有益效果：
（1）混沌放大量子噪声将显著提高系统量子噪声熵含量，从而能够显著提升量子随机数产生系统的鲁棒性及真随机提取比例，较以往的连续变量量子随机数发生器有明显优势。
（2）本发明提出提取混沌激光多个高频量子模分量起伏为熵源并行产生量子随机数，为量子随机数发生器提供了一种成本集约、扩展性强、集成度高的随机数后处理方案，有效促进连续变量量子随机数发生器的实用化。
（3）本发明提出在量子随机数后处理部分充分调用逻辑运算硬件单元的并行计算优势，并行实现多路量子随机数的广义哈希后处理，可将量子随机码实时生成速率提升至10Gbps以上。
（4）连续变量量子随机数发生器因其具有信息论可证明的安全性、探测系统高带宽、鲁棒性及可芯片化等特点有着很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的连接示意图，图中虚线表示光连线，实线表示电连接。
图2为系统初态噪声分布确定示意图。
图3为利用光电探测器探测的原始混沌信号的频谱图。
图4为利用平衡零拍探测系统测量的混沌放大量子噪声的频谱图。
图5为Toeplitz后处理双层并行结构图。
图中：1-DFB激光器；2-偏振控制器；3-环形器；4-50/50光纤耦合器；5-可调衰减器；6-光隔离器；7-光纤滤波器；8-第一光纤准直器；9-第一半波片；10-半导体激光器；11-第二半波片；12-第一光学偏振分束器；13-第三半波片；14-第二光学偏振分束器；15-第二光纤准直器；16-第一光电探测器；17-第三光纤准直器；18-第二光电探测器；19-减法器；20-功分器；21-射频信号发生器；22-混频器；23-低通滤波器；24-模数转化器；25-现场可编程门阵列；26-PCI-E接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1~5所示，本发明提出利用混沌敏感性放大量子散粒噪声，利用平衡零拍量子测量方法提取混沌激光高频量子模作为熵源，增大连续变量量子随机数发生器的量子噪声熵含量，从而提高其安全性和实时产生速率。进而通过并行提取平衡零拍探测带宽内多个不同中心频率处的多个高频量子模作为熵源并行产生随机数，实现一种高安全性、强鲁棒性且扩展性强的新型随机数产生方案。
以三通道并行混沌量子随机数发生器为例，具体包括以下实施步骤：
步骤1. 基于外腔反馈激光器生成混沌光场：DFB激光器1选用中心波长1550nm的单模激光器，DFB激光器1发出中心波长为1550nm的激光依次经过偏振控制器2、环形器3、50/50光纤耦合器4、可调衰减器5、光隔离器6、光纤滤波器7形成混沌激光，偏振控制器2控制光的偏振态使反馈光与激光的偏振平行，达到最佳的耦合；50/50光纤耦合器4将激光分成两束：一束激光经过可调衰减器5反馈到激光器腔内，可调衰减器5采用中心波长为1550nm的Thorlabs-VOA50-APC型衰减器，调节衰减器5的强度形成宽带的混沌激光，另一束激光经过光隔离器6确保形成的混沌激光单向传输；光纤滤波器7选用中心波长1550.12nm，带宽0.5nm的BPF-1X1型滤波器，混沌激光经过光纤滤波器7、第一光纤准直器8转变为空间光场平行光，再经过第一半波片9入射到第一光学偏振分束器12。
步骤2. 建立平衡零拍探测系统，提取混沌激光高频量子模的量子分量噪声起伏作为生成真随机数的熵源：半导体激光器10采用中心波长为1550nm的LD-TC40半导体激光器，半导体激光器10发出中心波长为1550nm的单模连续激光，经过第二半波片11后进入第一光学偏振分束器12的透射光，再经过第三半波片13改变偏振方向后，入射至第二光学偏振分束器14中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光，P光和S光经干涉选模后分别耦合进第二光纤准直器15和第三光纤准直器17，然后入射到高量子效率且性能对称的一对平衡光电探测器即第一光电探测器16和第二光电探测器18，两个平衡光电探测器，将光信号转化为光电流信号，两个光电探测器转化的两个光电流信号通过减法器19进行减法运算，所得的差信号起伏比例于混沌非线性放大散粒噪声的高频量子模正交分量起伏；单模连续激光在通过光学器件后，在第二光学偏振分束器14后与DFB激光器1发出的激光发生相干耦合，由于混沌放大机制中低频经典噪声与宽带散粒噪声均会被放大到宏观水平，从而能够由源于混沌放大量子噪声的量子熵源转化提取量子随机数。
并行提取混沌激光三个高频边带量子态的分量起伏作为量子随机数产生的子熵源：两个光电探测器即第一光电探测器16和第二光电探测器18转换的两路光电流信号经减法器19后输出，然后经功分器20分为三路信号输出，射频信号发生器21产生的不同频率的射频信号分别于三路光电流信号在混频器22上发生混频，混频器22输出的信号经确定带宽的低通滤波器23滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器24转化为数字信号，得到来自各个子熵源的原始随机数。对来自各边带频率模式的光电信号由模数转化器采样，离线状态下基于对其统计特性进行分析，严格评估原始数据中源于量子熵源的条件最小熵，为Toeplitz哈希提取器提供量子随机数的提取比率。
步骤3.后处理阶段，基于FPGA的并行运算优势，在单个FPGA内构建三个子熵源各自的Toeplitz随机提取器，并行后处理源于不同子熵源的原始随机数，最后合并输出。通过对FPGA逻辑资源的统筹规划来建立高速实时后处理工作模块，应用集成软件环境（ISE）在型号7k325t-fbg676的FPGA中完成上述设计。FPGA（25）中的运算通常通过查找表（LUT）实现，大矩阵的运算会消耗大量的LUT，通过将一个大矩阵运算拆分成多个规模合适的小矩阵运算，并在外层使用缓冲器驱动每个模块的时钟信号，在精确协调逻辑资源和时钟信号的基础上设计出双层并行流水线算法，双层并行流水线算法实现对多个不同量子边带模式的多组原始随机比特的Toeplitz哈希后处理，在外层，多个子熵源的Toeplitz提取器是独立构建的，并且同时运行；在内层，对于每个量子边带模式，Toeplitz实时后处理都通过流水线算法实现；双层并行流水线算法包括三个模块：第一级是Toeplitz（托普利兹）子矩阵生成模块，该模块用于在每个时钟周期构建一个Toeplitz子矩阵，并使用移位反馈寄存器在每个时钟周期对Toeplitz子矩阵更新；第二级是Toeplitz子矩阵运算模块，实现单个子矩阵的计算；第三级是向量寄存异或模块，获得单个子矩阵处理的结果，将结果存储在寄存器中；模数转换器24采集和现场可编程逻辑阵列25中的实时并行处理由内置时钟统一控制，实现原始数据采样及安全性信息论可证的随机提取器的流水线同步运行，保证量子真随机数的实时高速产生；将三通道的输出随机数每16位交替混合，并实时通过PCI-E接口26接入到计算机可得到基于混沌放大量子噪声实时高速生成的量子随机码。充分调用了ADC及FPGA硬件资源，实现了量子随机数的实时、高速产生。
本发明中，三个半波片采用波长范围1100-2000nm的FBR-AH3消色差半波片，两个偏振分束器采用波长范围620-1 600nm的50/50 FBT-PBS054型偏振分束器，射频信号发生器20采用600MHz的HP8648A型射频信号发生器，平衡光电探测器采用1.6GHz的PDB480C-AC型平衡光电探测器，低通滤波器23采用550MHz的BLP-550+型低通滤波器，现场可编程逻辑阵列25采用xc7k325t-2ffg676型芯片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：基于混沌放大量子噪声提高量子熵源测量中的真随机熵含量，并行实现多路混沌量子子熵源的提取及原始随机数的广义哈希后处理，实时高速生成量子随机码，包括以下步骤：
步骤1. 基于外腔反馈激光器生成混沌光场：DFB激光器（1）发出的激光依次经过偏振控制器（2）、环形器（3）、50/50光纤耦合器（4）、可调衰减器（5）、光隔离器（6）、光纤滤波器（7）形成混沌激光，混沌激光经过第一光纤准直器（8）转变为空间光场平行光，再经过第一半波片（9）入射到第一光学偏振分束器（12）；
步骤2. 建立平衡零拍探测系统，提取混沌激光高频量子模的正交分量起伏噪声作为生成量子随机数的熵源：半导体激光器（10）发出单模连续激光在通过光学器件后，在第二光学偏振分束器（14）后与DFB激光器（1）发出的激光发生相干耦合作为平衡零拍探测的本底光；同时提取混沌激光多个高频边带量子态的分量起伏作为量子随机数产生的子熵源：平衡光电探测器中两个光电探测器转换的两路光电流信号经减法器（19）输出后，又经过功分器（20）分为多路信号输出，射频信号发生器（21）产生的射频信号与功分器产生的光电流信号在混频器（22）上发生混频，混频器（22）输出的信号经低通滤波器（23）滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器（24）转化为数字信号，获得源于各路子熵源的原始随机数；
步骤3. 基于FPGA的并行运算优势，在单个FPGA内构建源于各个子熵源的原始随机数的广义哈希提取器，并行提取量子随机数：基于现场可编程门阵列（25）的并行处理特性，将一个大矩阵运算拆分成多个规模合适的小矩阵运算，并在外层使用缓冲器驱动每个模块的时钟信号，在协调逻辑资源和时钟信号的基础上设计出双层并行流水线算法，模数转换器（24）采集的时钟和现场可编程逻辑阵列（25）中实时并行处理的时钟由内置时钟统一控制；将多通道的输出随机数按位交替混合，并实时通过PCI-E接口（26）传输到计算机，得到基于混沌放大量子噪声实时高速生成的量子随机码。
2.根据权利要求1所述的基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：所述步骤1中，50/50光纤耦合器（4）将激光分成两束：一束激光经过可调衰减器（5）反馈到激光器腔内，调节衰减器（5）的强度形成宽带的混沌激光，另一束激光经过光隔离器（6）确保形成的混沌激光单向传输；通过控制驱动电流强度、反馈延迟时间及反馈强度，实现混沌系统输出。
3.根据权利要求1所述的基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：所述步骤2中，单模连续激光经过第二半波片（11）后进入第一光学偏振分束器（12）的透射光，作为平衡零拍探测的本底光，再经过第三半波片（13）改变偏振方向后入射至第二光学偏振分束器（14）中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光，P光和S光经干涉选模后分别耦合进第二光纤准直器（15）和第三光纤准直器（17），然后进入两个光电探测器，将光信号转化为光电流信号并增益放大到宏观水平，经减法器（19）相减，光电流信号的差信号起伏比例于混沌非线性放大散粒噪声的高频量子模噪声，实现混沌光场确定频率及偏振成分的提取。
4.根据权利要求1所述的基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：所述双层并行流水线算法实现对多个不同量子边带模式的多组原始随机比特的Toeplitz哈希后处理，在外层，多个子熵源的Toeplitz提取器是独立构建的，并且同时运行；在内层，对于每个量子边带模式，Toeplitz实时后处理都通过流水线算法实现。
5.根据权利要求1或4所述的基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：所述双层流水线算法包括三级模块：第一级是Toeplitz子矩阵生成模块，用于在每个时钟周期构建一个Toeplitz子矩阵，并使用移位反馈寄存器在每个时钟周期对Toeplitz子矩阵更新；第二级是Toeplitz子矩阵运算模块，实现单个子矩阵的计算；第三级是向量寄存异或模块，获得单个子矩阵处理的结果，将结果存储在寄存器中。
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