CN113826069A - 用于生成随机数的紧凑数字化系统 - Google Patents

Abstract

用于生成随机数的系统，该系统包括被适配成生成两个光学信号的光学部件以及连接到光学部件的两个光探测器，其中，第一光探测器被适配成接收第一光学信号并且基于第一光学信号来生成第一电信号，并且第二光探测器被适配成接收第二光学信号并且基于第二光学信号来生成第二电信号，其中，光学部件被适配成生成随机地导致第一电信号和第二电信号的第一光学信号和第二光学信号，其中第一电信号和第二电信号相等或者一个电信号大于另一个电信号，所述系统的特征在于，光探测器被适配成将第一电信号和第二电信号传送到比较器，其中，比较器被适配成基于第一电信号和第二电信号的比较来提供输出，从而提供随机数。

Description

用于生成随机数的紧凑数字化系统

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于生成随机数的系统以及根据权利要求10的前序部分的用于生成随机数的方法。

背景技术

从现有技术中已知多种用于生成随机数的系统。原则上，这些系统可以被分成两种不同的技术方式。

第一种技术方式使用复杂算法和初始条件(也称为种子(如日期))，以便计算伪随机数，该伪随机数优选地在特定间隔(通常为0到1)上具有最均匀的分布。

虽然这些系统只需要计算机来生成随机数，但是它们遇到了使用特定算法的问题，该特定算法导致即使在显示出良好的统计结果时也能够完全预测的随机数序列。除了可预测之外，伪随机数生成器还示出了有限长度，即在给定数量的所产生的比特之后，它们再次开始重复相同的序列。

另一方面，其它方式使用具有从中提取随机数的随机属性的物理系统。例如，一些方式使用例如由发射特定电压的直流电源生成的参考信号，以及在光电二极管处引起特定电压信号的激光系统。然后，可以比较参考源和光电二极管的电信号，并且如果由光电二极管生成的信号大于参考信号的信号，则该值可以被设置为1，而在任何其他情况下，该值为0。

物理随机数生成器的特定子集基于测量量子系统。这样，通过对量子过程的动态特性进行采样来直接生成随机性，这在适当的条件下使得能够生成完全不可预测的随机数。作为示例，脉冲半导体激光器中的相位扩散过程可以从自发发射的量子力学过程产生随机数。

虽然理论上，所创建的数实际上是完美的随机数(即，在特定测量下所获得的值是1还是0是完全不可预测的)，但是实际物理系统遭受类似参考信号或温度的小波动之类的问题以及许多其它实际缺陷。这可能导致概率分布的偏移，从而不能生成完美的随机数。消除这些问题通常需要相当大的努力，并且因此还导致更大的系统和更低的随机数生成频率以及增加的成本。

在由Carlos Abellan等人的“Generation of fresh and pure random numbersfor loophole-free Bell tests(生成用于无漏洞贝尔测试的新的和纯的随机数)”中，一种从过去小于36ns的自发发射事件中提取随机性的方法，给出具有低于10^-5的过度可预测性和强度量随机性保证的输出位。这种随机性策略满足了在当前的本地真实性的“无漏洞贝尔测试”中对不可预测的基础选择的严格要求。

此外，由Caitlin R.S.Williams等人的“Fast physical random numbergenerator using amplified spontaneous emission(使用放大自发发射的快速物理随机数生成器)”提供12.5Gb/s物理随机数生成器(RNG)的报告，其使用由光纤放大器产生的光谱分割的非相干光的高速阈值探测。该系统生成具有仅受所使用的光学滤波器和电探测器约束的带宽的大幅度、容易测量的波动信号。基础物理过程(自发发射)本质上是量子力学的，因此不能被确定性地描述。与需要光子计数电子器件、混沌激光腔或现有技术模数转换器的竞争的光学RNG方式不同，该系统仅采用通常可用的电信级光纤部件，并且可以被缩放到更高的速度或被复用到并行信道中。使用工业标准统计测试来验证所得到的随机比特流的质量。

另外，由PuLi等人的“Self-balanced real-time photonic scheme forultrafast random number generation(用于超快随机数生成的自平衡实时光子方案)”提出一种用于从宽带随机源提取超快随机数的实时自平衡光子方法。代替电子模数转换器(ADC)，平衡光电探测技术用于将光学采样的混沌脉冲直接量化成连续的随机数流。受益于超快光电探测，该方法可以有效地消除几乎所有可用的快速物理随机数生成器中所需的电子ADC的生成速率瓶颈。原理验证实验证明，使用我们的方式，从带宽增强的混沌源中成功地提取了实时的和统计学上无偏的随机数10Gb/s。这里，实验上获得的生成速率受到混沌源带宽的限制。所述方法具有达到100Gb/s的实时速率的潜力。

此外，由Atsushi Uchida等人的“Fast physical random bit generation withchaotic semiconductor lasers(利用混沌半导体激光器的快速物理随机位生成)”还讨论了如何使用半导体激光器中的物理混沌以非常快的比特率生成高质量的随机比特序列。通过对两个混沌激光器的波动光学输出进行采样，已经以高达1.7Gbps的速率生成了通过随机性的标准统计测试的比特流。

此外，由Jianzhong Zhang等人的“A robust random number generator basedon differential comparison of chaotic laser signals(基于混沌激光学信号的差分比较的健壮随机数生成器)”通过利用1位模数转换器对来自混沌半导体激光器的信号及其延迟信号进行差分比较来示出健壮的实时随机数生成器。基于差分比较方法的输出混沌信号的概率密度分布具有极小的皮尔逊中值偏度系数(1.5×10^-6)，这与先前报告的将来自混沌激光器的信号与特定阈值进行比较的方法相比，可以非常容易地生成平衡随机序列。此外，实验证明该方法可以以1.44Gbit/s的速率稳定地生成良好的随机数，并且具有对外部干扰的优异免疫力。

发明内容

目的

从已知的现有技术开始，本发明的目的是提供一种用于生成随机数的系统和方法，其在所选的间隔上生成关于随机数的均匀分布的改进的结果，而同时降低随机数生成器的复杂性。

解决方案

该问题通过根据独立权利要求1的用于生成随机数的系统和根据权利要求10的用于生成随机数的方法来解决。优选的另外的实施例在独立权利要求中被引用。

根据本发明，提供一种用于生成随机数的系统，该系统包括：被适配成生成两个光学信号的光学部件；以及连接到该光学部件的两个光探测器，其中，第一光探测器被适配成接收第一光学信号并且基于第一光学信号生成第一电信号，并且第二光探测器被适配成接收第二光学信号并且基于第二光学信号生成第二电信号，其中，光学部件被适配成生成随机地导致第一和第二电信号的第一和第二光学信号，其中第一和第二电信号相等或者一个电信号大于另一个电信号，该系统的特征在于，光探测器被适配成将第一和第二电信号传送到比较器，其中，比较器被适配成基于第一和第二电信号的比较来提供输出，从而提供随机数。

对于本发明，如在说明书中进一步描述的，被适配成生成至少两个光学信号的光学部件优选地是指产生在它们之间具有特定相位关系的光学信号的系统。

注意，根据本发明，比较器旨在通过使用由光探测器生成的第一和第二电信号来提供输出。因此，在优选实施例中，在光探测器和比较器之间没有提供主动改变第一和第二电信号或生成要提供给比较器的中间信号的中间硬件或处理部件。比较器可以是被适配成执行该操作的任何硬件部件。具体地，它可以是任何模数转换器，并且具体地，可以使用限幅放大器。此外，可以使用多位模数转换器。该转换器不仅使用两个入射信号(例如，第一光探测器的一个信号和第二光探测器的一个信号)，而且使用一系列这样的信号来生成多位输出。因此，术语比较器将被视为被适配成基于第一和第二电信号的比较来提供输出信号的任何硬件部件，其中该输出优选地是明确的输出。在这种情况下，明确的输出意味着对于比较的相同结果，输出是相同的。

本发明的发现是，根据本发明的这种布置示出关于由比较器获得值1或值0的概率分布的增加的均匀性，同时还实现了随机数生成的高频率。这是特别的情况，因为用于将光干涉信号转换为随机数的唯一部件是(光探测器和)比较器，从而消除了对于减法器和通常仅具有相对小的信号处理频率和/或引入噪声和缺陷的其它硬件部件的需要，从而降低了所生成的随机位的不可预测性。这通常是量子光学中零差探测方案的情况，其中光场的两个正交首先被相减，然后被发送到数字化仪。利用本发明，可以通过将信号直接发送到差分数字化方案中来简化该过程。这减少了所需硬件部件的数量和噪声，并且因此也减少了尺寸、成本，并且提高了数字化处理的质量。在随机性生成中，这解决了获得高质量和高度集成的系统的关键限制。

根据另一实施例，系统的光学部件包括两个激光源、干涉仪，该干涉仪相对于激光源布置和适配以实现从第一激光源发射的激光(也称为第一激光束)与从第二激光源发射的激光(也称为第二激光束)之间的干涉，其中，从第一激光源发射的激光与从第二激光源发射的激光的相对相位是随机的，其中，可以例如使用多模干涉仪(MMI)构建的干涉仪适配为生成至少两个干涉光束，其中，干涉仪可以进一步适配为向干涉光束中的至少一个施加相移，并且干涉仪适配为向第一光探测器传送第一干涉光束以生成第一电信号并且向第二光探测器传送第二干涉光束以生成第二电信号。注意，由于能量守恒，两个输出干涉光束示出了特定相位关系。例如，在两个输出干涉信号的情况下，这两个输出将显示90°的相位关系，即，当干涉在一个干涉光束中是相长的时，在另一个中必须是相消的。

注意，该实施例涵盖了这样的情况，其中，恰好一个干涉光束被提供给恰好一个光探测器，即，第一干涉光束仅被传送到第一光探测器，而第二干涉光束仅被传送到第二光探测器。该实施例还涵盖了向两个光探测器提供两个干涉光束的情况。

对干涉光束中的至少一个施加相移也涵盖了对干涉光束中的每个施加相移的情况。在这种情况下，优选地，施加到第一干涉光束的相移与施加到第二干涉光束的相移不同。

当提到对干涉光束施加相移时，这不仅涵盖干涉光束(包括干涉中的第一激光源的激光和第二激光源的激光)的相位改变的情况。还旨在覆盖仅改变构成干涉光束的激光之一的相位的情况。例如，在干涉仪内并且在生成干涉光束中的至少一个之前，可以向第一激光源的激光和第二激光源的激光中的至少一个施加相移。通过在干涉光束的路径中定位例如已知的λ板，可以实现对干涉光束施加(预期附加)相移。

所提及的相移不一定进一步指定。实际上，相移可以是(固定的和预定的)任意值。虽然可以优选特定相移π，但是可以想到任何其它相移。例如，一个干涉光束的相移可以是3/4π。在一个实施例中，干涉仪是具有两个光学输出端口的迈克尔逊-摩雷利干涉仪(Michelson-Morley-interferometer)或马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder-interferometer)，其中第一光学输出端口连接到第一光探测器，并且第二光学输出端口连接到第二光探测器。

可以预期的是，迈克尔逊-摩雷利干涉仪包括两个输入端口，一个用于第一激光源，一个用于第二激光源，其中光束被提供给半透明反射镜镜，优选地具有90°的入射角。因此，两个激光束，即第一激光束(从第一激光源发射的激光)和第二激光束(从第二激光源发射的激光)被分成透射通过半透明反射镜的一个光束和仅被反射的一个光束。反射光束将经历π(即180°)的相移，而透射光束则不经历π(即180°)的相移。

使用这种干涉仪允许紧凑的设计，同时实现生成干涉光束的高物理稳定性。

在另一个实施例中，干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪，并且一个激光源被使用。由激光器生成的信号被发送到马赫-曾德尔干涉仪的输入端，该干涉仪包括第一分束器，优选具有50/50的分光比，其产生两个光束，该两个光束经由两个不同的光路连接到第二分束器，优选具有50/50的分光比，其中一个光路比另一个光路长，从而在两个光束之间引入延迟。因此，第二分束器执行两个光束之间的干涉，一个光束是另一个光束的自延迟版本。

在另一实施例中，激光源是激光二极管。激光二极管可以显著地小型化并且仅需要少量的能量。此外，当以脉冲模式驱动激光源之一时，它们显示出有利的脉冲特性。

在另一实施例中，第一激光源和第二激光源连接到多模干涉仪，其优选地被配置成生成两个输出干涉光束。

在另一实施例中，干涉仪被配置成90°混合配置，因此提供具有0°、90°、180°和270°相位关系的4个光学输出干涉光束。每个干涉光束的输出被发送到四个独立的光探测器。对应于具有0°和180°相位关系的光束的电信号被发送到比较器的两个输入端口，而对应于90°和270°的光束被发送到另一个比较器。在该实施例中，使用了两个正交的电磁场，从而使随机数生成能力加倍。

在另一实施例中，第一激光源被适配成以恒定波模式被驱动，并且第二激光源被适配成以脉冲模式被驱动；或者第一激光源和第二激光源被适配成以脉冲模式被驱动；或者第一激光源和第二激光源被适配成以连续波模式被驱动；或者仅一个激光源以连续波模式被驱动，而另一个输入端口保持打开。

根据本发明，恒定波模式意味着第一激光源至少在比以脉冲模式驱动的激光源的脉冲重复率f^-1(脉冲重复率的倒数)大10⁵倍的时间段内恒定且连续地发射激光束。根据本发明，脉冲模式意味着第二激光源周期性地发射脉冲重复率为f的(短)激光脉冲，其中f是指示每秒连续脉冲的数量的脉冲重复率。该实施例允许在提供物理稳定系统的同时以高频率创建随机数。

在该实施例的更具体的实现中，第二激光源(或者旨在以脉冲模式驱动的激光源中的任何一个)被适配成在从低于激光生成(lasering)阈值的值变化到激光生成阈值的范围的功率区域中被驱动。这意味着当不发射脉冲时，激光源以低于激光生成阈值的功率被驱动，从而减小了对激光源的应力。例如，功率可以是70％或者可以小于60％，例如20％或者甚至0％。也可以用反向功率(即反向电源)驱动第二激光源(或任何要以脉冲模式驱动的激光源)。

另外，第二激光源(或旨在以脉冲模式驱动的激光源中的任一个)达到激光生成阈值的脉冲重复率可以大于100MHz，或大于500MHz或大于1GHz。它也可以小于100MHz。利用这些实施例，可以生成大量的随机数。

还可以设置，激光源通过单独的波导与干涉仪连接和/或干涉仪可以通过单独的波导与每个光探测器连接。这种波导可以减少对所生成的信号的环境影响，从而当环境条件改变时也稳定随机数的生成。

在另一实施例中，可以提供用于对激光源进行调温的调温系统，该调温系统被适配成独立地调节第一激光源和第二激光源的温度。因此，可以控制和减小温度的变化，这可能导致第一和/或第二激光源的激光生成特性发生变化。

根据本发明的用于生成随机数的方法使用一种系统，该系统包括光学部件、连接到光学部件的两个光探测器和连接到光探测器的比较器，该方法包括：由光学部件生成两个光学信号并且将第一光学信号传送到第一光探测器和将第二光学信号传送到第二光探测器，由第一光探测器基于第一光学信号生成第一电信号，并且由第二光探测器基于第二光学信号生成第二电信号，其中，第一和第二光学信号随机生成第一和第二电信号，其中第一和第二电信号相等或一个电信号大于另一个电信号，该方法的特征在于，将第一电信号和第二电信号传送到比较器，并且由比较器比较第一和第二电信号，并且由比较器基于第一和第二电信号的比较来提供输出，从而提供随机数。

由此，可以用稳定且简单的数字化方案在高频率下生成真随机数。

在一个另一实施例中，光学部件包括两个激光源和干涉仪，并且其中，生成第一和第二光学信号包括由激光源中的每一个发射激光到干涉仪中，其中，由第一激光源发射的激光和由第二激光源发射的激光的相对相位是随机的，由干涉仪生成两个干涉光束，干涉仪将第一干涉光束传送到第一光探测器以生成第一电信号并且将第二干涉光束传送到第二光探测器以生成第二电信号。

该方法实现作为来自比较器的输出而获得的值0和1的概率分布的均匀性的提高，同时还导致随机数生成的高频率以及简化的数字化电路。

在一个实施例中，在第一信号大于第二信号的情况下，比较器的输出为1，而在任何其它情况下，比较器的输出为0。信号的“大小”可以是第一和第二电信号的电压或电流。术语“大小”可以指物理值，如信号的幅度、与信号相关联的电压或电流等。

第一和第二激光束的相位关系可以由量子物理定律控制。激光束的相位跟随自发发射，其最终导致激光器开始激光生成。然而，这种自发发射，特别是其相位，不能被预测，并且对于激光器开启激光生成，从所有可能的相位中获得特定相位的概率对于所有潜在的相位是相同的。这导致第一和第二激光束的相对相位完全随机。因此，所生成的一些信号将显示第一电信号大于第二电信号，而一些将显示相反的情况，从而导致均匀的概率分布。注意，只有当激光器经历了足够大的相位扩散时才能实现相位的完美随机性。这可以对于激光生成的断开时间低于100ps的脉冲激光器来实现。在其它情况下，相位的概率分布通常遵循高斯分布。

在一个实施例中，第一激光源以恒定波模式驱动，第二激光源以脉冲模式驱动；或者第一和第二激光源以脉冲模式驱动；或者两个激光源以恒波模式驱动；或者一个激光器以恒定波模式驱动而另一个完全关掉。

在该实施例的更具体的实现中，在从低于激光生成阈值的值到激光生成阈值的范围的功率区域中周期性地驱动第二激光源(或旨在以脉冲模式驱动的激光源中的任何激光源)，其中，第二激光源周期性地达到激光生成阈值。达到激光生成阈值将导致第二激光源发射相对于由第一激光源发射的激光束的相位具有任意相位的激光脉冲，从而允许生成随机数。通过使用该功率区域，可以在通过第二激光源不生成脉冲的相位将脉冲生成区域彼此分开的同时，减小对第二激光源的物理应力，从而减小所生成的信号中的噪声。例如，功率可以是70％或者可以小于60％，例如20％或者甚至0％。也可以用反向功率(即反向电源)驱动第二激光源(或任何要以脉冲模式驱动的激光源)。通过这些措施，可以有效地避免第二激光源(或旨在以脉冲模式驱动的激光源中的任何一个)的自发但非预期的激光生成，从而降低信号生成中的噪声。

还可以提供，第二激光源达到激光生成阈值的脉冲重复率大于100MHz，或者大于500MHz，或者大于1GHz。它也可以小于100MHz。根据所选择的脉冲重复率，可以生成大量的随机数。

在另一实施例中，调温系统独立地调节第一激光源和第二激光源的温度。由此，可以消除对激光源之一的温度有影响的变化的环境条件，以物理地稳定系统。

在一个更具体的实施例中，调温系统调节温度，使得第一激光源的温度和第二激光源的温度之差小于0.1K。因此，可以抑制由于激光源的变化温度而对所生成的激光束的负面影响，从而减少所生成的信号中的非预期噪声。

附图说明

图1示出根据一个实施例的用于生成随机数的系统。

图2a和图2b示出两个干涉仪的实施例。

图3示出根据另一实施例的用于生成随机数的系统。

具体实施方式

图1示出用于生成随机数的系统100。

系统100可以具有宏观尺度，即具有大于1cm或几厘米的尺寸，但是它也可以实现为仅具有微观尺度(即小于1cm，优选小于0.5cm)的片上系统。

在优选实施例中，系统100被提供在集成芯片上，该集成芯片例如可以被包括在智能电话中并且具有优选地小于1cm的尺寸。

尽管图1中描述本发明系统的特定实施方式，但是根据本发明的一般概念涉及用于生成随机数的系统和方法，其中该系统包括被适配成生成两个光学信号的光学部件和连接到该光学部件的两个光探测器，其中，第一光探测器被适配成接收第一光学信号并且基于第一光学信号来生成第一电信号，并且第二光探测器被适配成接收第二光学信号并基于第二光学信号来生成第二电信号，其中，该光学部件被适配成生成随机地导致第一和第二电信号的第一和第二光学信号，其中第一和第二电信号相等或一个电信号大于另一个电信号。根据本发明，光探测器被适配成将第一和第二电信号传送到比较器，其中，比较器被适配成基于第一和第二电信号的比较来提供输出，从而提供随机数。

在图1中，光学部件(101)可以被认为包括所有元件111、112和120，并且由该光学部件生成的光学信号可以是如下解释的信号161和162。

虽然在以下附图中提供的示例集中于使用激光源和干涉仪来生成最终由光探测器探测到的光学信号的实现，但是本发明包括可以生成可以由光探测器探测到并且被转换成电信号以供比较器进行比较的相对于彼此具有随机属性的两个光学信号的任何其他光学系统。

示例性系统100包括两个激光源，第一激光源111和第二激光源112。激光源优选地被适配成传送具有相似的、优选地相同的频率的(分别针对第一和第二激光源的)第一激光束(也称为由第一激光源发射的第一激光)151和第二激光束(也称为由第二激光源发射的第二激光)152。然而，由于量子物理学的定律，第一激光束的相位

和第二激光束的相位

是随机的。尽管参考了激光“束”，但是第一和第二激光源中的至少一个可以被适配成生成和发射激光脉冲(也由术语“激光”涵盖)。

然后，第一激光束和第二激光束都被引入干涉仪(如迈克尔逊-摩雷利干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪)120。干涉仪被适配成从第一和第二激光束生成第一干涉光束161。作为另一个优选实施例，干涉仪可以是多模干涉仪。

此外，干涉仪被适配成生成第二干涉光束。该干涉光束162来自第一激光束和第二激光束。

根据优选实施例，干涉仪被适配成以50/50功率平衡将两个输入光束干涉到两个输出端口，从而产生互补信号(即，两个输出端口中的信号具有例如180°或90°的偏移，从而保存能量)。当来自两个激光束的信号在输出端口处干涉时，它取决于每个激光束的相位生成干涉图案。

该系统还包括两个光探测器131和132。这些被布置成使得由干涉仪生成的第一干涉光束161可以被传送到第一光探测器131，并且由干涉仪生成的第二干涉光束162可以被传送到第二光探测器132。可以任意设计光探测器。例如，它们可以被实施为光电倍增器或公知的光电二极管。此外，可以使用CCD传感器。优选地，使用具有高探测频率的光探测器，即允许探测在几个100MHz(优选地高达1或2GHz)的频率处的事件。

光探测器从第一干涉光束和第二干涉光束(通过第一光探测器131)创建第一电信号171并且(通过第二光探测器132)创建第二电信号172。两个信号都被提供给比较器140。这可以例如通过经由如导线的电导体将来自光探测器131和132的信号传送到比较器或集成电路情况下的波导来促进。

电信号可以取决于第一和第二干涉束而示出不同的电压或电流。

比较器以其普通意义工作，即，如果第一电信号(即，例如第一电信号的电压)大于第二电信号(即，例如其电压)，则提供为1的输出，并且在任何其他情况下提供为0的输出。比较器还可以例如被实现为限幅放大器或被适配成基于光学信号和相应比较来提供上述输出的任何其他硬件部件或软件部件。

由于第一激光束和第二激光束彼此之间的随机相对相位，不能预测比较器的输出将是怎样的，即它是1还是0。根据本发明，这可以用于生成大量随机数。为此，在一个实施例中，激光源之一，例如第一激光源111，以恒定波模式作为“参考信号”被驱动。这里的恒定波模式意味着第一激光源至少在一段时间内连续发射第一激光束151。如果第一激光源的环境条件可以被调节为完美恒定，则该参考信号在长时间段内是恒定的，从而减少参考信号中的任何非预期噪声以及对所生成的干涉光束的任何非预期影响。

根据该实施例，第二激光源112可以以脉冲模式驱动，即，可以被提供以周期性地传送激光脉冲。为了实现这一点，可以以接近激光生成阈值的功率驱动第二激光源。激光生成阈值是必须引入第二激光源以实现激光生成的功率。当使用激光二极管作为第二激光源(而且可能作为第一激光源)时，可以获得从几MHz到甚至GHz范围的脉冲重复率(以每秒脉冲数测量)。该脉冲重复率与所生成的激光脉冲的频率无关，而与每秒生成的脉冲数量有关。设该脉冲重复率为f，则优选的是，第一激光源连续发射第一激光束的时间t至少为t＝10⁵f^-1，更优选t＝10¹⁰f^-1，以具有在由第二激光源生成的大量脉冲上恒定的参考信号。

注意，代替以恒定波模式驱动激光源之一，也打算有两个激光源都以脉冲模式驱动的实施例。在这种情况下，不是使用激光源之一的连续发射的激光束作为“参考”信号，而是仅仅将获得的脉冲彼此进行比较，从而实现与以上针对以恒定波模式驱动激光源之一而以脉冲模式驱动另一个激光源的情况所解释的结果相对应的结果。

由于这些生成的脉冲中的每一个的相位相对于由第一激光源生成的连续激光束是完全随机的，因此不能预测干涉光束将看起来如何。然而，很明显，它们将创建介于(并包括)完全区别和全放大之间的干扰信号。由于干涉光束(或它们中的至少一个)经历相对于彼此的相移，所以由光探测器获得的信号将彼此不同，除非第一和第二激光束导致完全区别或完全放大。

在任何情况下，第一和第二干涉光束将彼此相等，或者一个将导致光探测器的信号(例如电压)大于另一个。这允许比较器生成为0或1的清除输出信号，尽管该输出信号不能被预测，因此是完全随机的。

由比较器提供的输出首先是一系列数字(即一个或多个0和1)，这取决于第一激光束和第二激光束的实际相位关系。然后，通过例如使用0和1的序列作为随机数本身，可以将该一系列数字用作随机数(例如，在每个百万分之一脉冲之后，中止该系列并且将其用作随机数，并且将所获得的连续数字用作下一个随机数)。此外，还可以规定，数字的数目用于计算实数，例如整数，其也将是完全任意的，并且因此可以用作随机数。

关于数字如何实际地被提供或用作随机数没有限制。在它们的潜在应用中，它们可以用于例如加密敏感数据，并且特别是从第一计算实体(如智能电话)传输到第二计算实体(如登录服务器)以便登录到服务(如在线银行账户)的敏感数据。另外，所生成的随机数可以用于对在如两个智能电话或多个智能电话的实体之间传送的如电子邮件或即时消息的通信进行加密。在随机数用于加密智能手机或其它小型计算机之间的通信的最后情况下，优选在相应计算系统(智能手机等)自身提供用于生成随机数的系统。因此，优选的是，在这种情况下，系统尽可能地小型化。

尽管原则上第一和第二激光源可以是发射从红外到光学到甚至紫外信号的任意频率的激光束的激光源，但是优选的是，激光源选自从具有与用于生成随机数的系统的尺寸相比小得多的波长以便避免由于折射或其他光学干扰而引起的非预期噪声的激光源。具体地，传送具有波长为用于生成随机数的系统的光学部件的最小相关长度的10^-2倍或甚至更优选地10^-5倍的激光束的激光源可以是优选的。光学部件是对第一激光源111和第二激光源112传送的激光束有影响的所有部件。例如，这指的是用于将第一和第二激光束传送到干涉仪的波导、干涉仪内的任何物理部件，如入射臂和传输臂，以及将第一和第二干涉信号传送到第一和第二光探测器的波导。

鉴于此，优选的是激光源可以传送大约100nm范围内的光或者紫外光。优选的波长可以在1300和1600nm之间。最优选地，波长为1330nm或1550nm。

当在集成芯片上提供系统100时，所有上述部件都被提供在集成芯片上。其它部件例如引起第二激光源的脉冲激光生成的频率生成器，也可以设置在芯片上，或者这样的附加部件可以设置为单独硬件。

现在参考图2a和2b，描述根据图1的一般实施例的更具体实现。在这些实施例中，选择干涉仪的特定实现。

在图2a的情况下，干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪120。该干涉仪包括至少一个输入端口，由第一和第二激光源生成的激光束151和152通过该输入端口被引入。干涉仪120还包括两个反射镜251和252以及两个半透明反射镜250和253。此外，在反射镜252和半透明反射镜253之间提供相移部件254(如λ/4(四分之一波长)或λ/2(半波)板)。相反，它也可以设置在半透明反射镜250和反射镜251之间。其它实施方式也是可能的。在任何情况下，干涉仪包括至少一个相移部件254，干涉光束之一通过该相移部件行进，而另一个不通过该相移部件。

入射激光束151和152碰撞半透明反射镜250。这里，从第一和第二激光束创建两个(中间)干涉光束，第一干涉光束161和第二干涉光束162。第一干涉光束161从半透明反射镜250行进到反射镜251，并进一步行进到半透明反射镜253。第二干涉光束从半透明反射镜250行进到反射镜252，并且在相移部件254的方向上反射。在该相移部件中，干涉光束162的相位经历明确相移例如π，对应于λ/2。可以考虑相移的任意其它值。然而，相移不同于2nπ，其中n是整数。

之后，干涉光束行进到半透明反射镜253。这里，第一中间干涉光束161和第二中间干涉光束162生成第一干涉光束181和第二干涉光束182。第一干涉光束行进到第一光探测器131，从而导致生成第一电信号。第二干涉光束182行进到第二光探测器，从而导致第二电信号。

光束(包括所有干涉光束和入射激光束)可以通过合适的波导传播，如玻璃纤维或适合于所使用的相应波长的其它波导。

在图2a中描述的实施例中，它是(中间)干涉光束中的在相移部件254中的经历相移的干涉光束。在图2b的情况下，它是入射激光束中的经历相移的一个入射激光束。

在图2b的情况下，干涉仪120被实现为包括半透明反射镜121的迈克尔逊-摩雷利干涉仪。第一激光源111被布置成将具有相位

的第一激光束151传送到反射镜121的第一侧上。第一激光束可以通过未进一步示出的(光学)输入端口输入到干涉仪中。第二激光源112被布置成将具有相位

的第二激光束152传送到半透明反射镜的相对侧，例如通过同样未进一步示出的(光学)输入端口通过将其引入干涉仪。通过使用半透明反射镜，激光束将被分成由反射镜221反射的部分和透射通过反射镜的部分。在反射镜221的表面处反射的激光束将经历π的相移，而透射通过反射镜发送的那些激光束将不经历这样的相移。

所选择的布置导致干涉光束161和162，其中对于第一干涉光束，第一激光束的相位

偏移π，从而具有相位

对于第二干涉光束，第二激光束152的相位经历π的偏移，因此在被反射镜221反射之后具有相位

分别在第一和第二干涉光束的传播方向上，第一光探测器131和第二光探测器132被布置为接收第一和第二干涉光束。干涉光束可以通过适当的未进一步示出的(光学)输出端口离开干涉仪。

迈克尔逊-摩雷利干涉仪120可以通过分别连接到第一和第二激光源的、用于通过输入端口在第一和第二激光束中耦合到干涉仪中的(光学)波导来实现。波导可以具有相同长度，并且可以分别将第一和第二激光束输入到反射镜221。附加地或替代地，波导可以被提供用于接收干涉光束161和162并且将干涉光束引导至光探测器131和132。这些可以连接到或构成输出端口。

然而，在系统被小型化到远小于1cm的尺寸的情况下，那些波导可以不由例如玻璃纤维形成，而可以仅是电磁波可以无区别地行进通过或者至少具有分别大于反射镜与光探测器(和/或激光源)之间的距离或者至少大于反射镜221与光探测器(和/或激光源)之间的距离的0.5倍的阻尼长度的波导。

由此，可以确保分别入射在光探测器131和132上的干涉光束仍然具有足够的信号强度，以使光探测器产生高于光探测器自身的噪声和系统的任何其他噪声(例如热噪声等)的可清楚探测的信号。

虽然上面仅描述了干涉仪作为光学部件的两个具体实现，但是应当注意，这些实现并不限制本发明，并且可以采用为光探测器生成两个光学信号的其他光学部件。然而，在所描述的那些干涉仪中，马赫-曾德尔干涉仪可能是优选的。

干涉仪的另一个优选实现是多模干涉仪。这种多模干涉仪及其功能对于本领域技术人员是已知的。对于干涉光束经历相移的情况和构成干涉光束的激光束之一经历相移的情况，如与上面给出的马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊-莫雷干涉仪的示例一样，这里不提供多模干涉仪的详细描述。

然而，优选地，如果多模干涉仪被提供为光学部件的一部分，则其包括两个输入端口，一个用于第一激光束，一个用于第二激光束，以及两个输出端口，其中第一干涉束经由第一输出端口被传送到第一光探测器，并且第二干涉束经由第二输出端口被传送到第二光探测器。另一个优选的实施例包括两个输入端口，一个于第一激光束，一个用于第二激光束，以及四个输出端口，它们处于所谓的混合90°配置，即其中四个输出端口具有0°、90°、180°和270°的相对相位。

在输入端口和输出端口之间，提供至少两个本征模可以行进通过的多模干涉耦合器。在一个实施例中，这些本征模对应于构成至少一个激光束的至少两个波长(或频率)。具体地，在激光束之一被提供为激光脉冲的情况下，这由具有特定频率的(无限)数量的波构成。(对应于波长的)这些频率中的至少两个对应于多模干涉耦合器的本征模。因此，至少这些频率可以行进通过耦合器，从而生成可以在光探测器处探测到的干涉光束。

图3示出用于生成随机数的系统的另一个实施例。在此，标有与图1中所用相同的参考数字的部件与图1的实施例中所用的部件相同，因此它们的功能在这里将不需要重复。

在图3中，提供调温系统380。该调温系统可以包括用于确定至少第一激光源111和第二激光源112的环境条件(具体是温度)的传感器(例如热传感器)。在激光源111和112发射激光束期间，它们的温度将升高，这可能导致它们的激光生成行为的变化，因此对生成激光束的的精度有影响，并且因此对干涉光束有影响。这可以由传感器测量。

此外，可以设置用于测量干涉仪和/或光探测器的热条件的传感器。由于温度的增加可能导致例如干涉仪的臂的长度的变化(例如，参见第一和第二激光束在图2中行进通过反射镜221的臂以及干涉光束从反射镜行进到光探测器的臂)，温度的变化可能导致这些臂的长度的变化，并且因此导致干涉光束之间的相对相位的变化。另外，温度的增加可能对反射镜221的性质有影响，并且可能导致反射镜的表面上的热振动，从而也影响可以生成和测量干涉光束的精度。同样，当温度升高时，光探测器将具有增加的噪声。

为了防止来自这些问题的噪声，调温系统380至少连接到第一激光源111和第二激光源112(分别由管381和382示意性地描绘)，并且可以优选地独立地调节第一激光源和第二激光源的温度。对于宏观系统，例如，这可以通过热交换和冷却回路来实现，如空气或水的冷却介质通循环过该冷却回路以便将由第一激光源和第二激光源发射的热量带走。对于显微系统，可以使用通常用于冷却计算机中的处理器或(半)光学部件的装置。对于其中系统被提供在芯片上以将调温系统直接集成在芯片上的情况，也可以是优选的。这例如可以通过在芯片上放置电流可以流过的电阻器来实现。取决于引入到电阻器中的电流，电阻器将散热。该热量可以用于将芯片的温度提高到期望值。

通过独立地控制第一和第二激光源的温度，第一和第二激光源的温度可以保持在给定(预设)温度。在以恒定波模式驱动第一激光源并且以脉冲模式驱动第二激光源的情况下，第一激光源的热应力可以不同于第二激光源的热应力，从而也导致第一激光源与第二激光源相比需要另外的冷却。因此，优选的是，第一和第二激光源的温度的控制彼此完全独立。更进一步，优选的是，调温系统380可以以例如2K、优选1K、更优选0.1K、更优选0.01K的精度控制第一和第二激光源的温度。

附加地或替代地，也可以设置，调温系统可以调节干涉仪120和/或光探测器131和132的温度。为此，调温系统可以分别通过相应的连接件383、384和385连接到干涉仪120和光探测器131和132。这些部件的冷却可以以与关于激光源111和112所描述的相同的方式来实现。

关于干涉仪，可以预期的是，为关于图2描述的反射镜221提供单独的冷却，其中这样的反射镜被提供在干涉仪中。另外，干涉仪的任何光学部件可以被单独地冷却，以便将其温度保持在特定值。

光探测器131和132的冷却也可以以独立的方式设置，使得它们的温度可以保持在恒定值。

对于第一和第二激光源111和112，可以设置，干涉仪(及其相应部件)以及光探测器的温度可以以0.1K或优选0.01K的精度被控制。

尽管这里没有明确提及，但是也可以设置，图1中所描绘的系统100的任何其它部件连接到调温系统380并且在必要时被冷却。例如，在波导用于引导第一和第二激光束以及干涉光束的传播的情况下，可以提供对它们的冷却。另外，光探测器131和132将可能通过如电缆的相应电导体或任何其它合适的装置连接到比较器140。这些也可以被冷却以减少从第一和第二光探测器传送到比较器的电信号中的热噪声。

为了将总噪声水平保持在最小，优选的是，由第一激光源和第二激光源生成的第一激光束和第二激光束的行进路径以及干涉光束161和162的行进路径彼此相等和/或优选地尽可能短。对于光探测器131和132与比较器140之间的电连接的长度也是如此。由此，能够将可能对由比较器中的第一和第二光探测器生成的第一电信号和第二电信号的比较有影响的附加噪声降低到最小。

一旦比较器计算出第一和第二电信号之间的比较，就将它们转换成数字，即0和1。这种清晰信号遭受较少的噪声，因此，由比较器生成的信号的行进路径的长度可以几乎是任意的，而不会导致比较器的输出中的信号强度的显著恶化或降低。因此，用于比较器到另一计算实体的任何连接的额外冷却或传输路径的长度的控制或减少不是强制性的，但仍可以在适当时提供。

另外或替代地，可以想到用于减少所生成的光学信号中的噪声的其他手段。例如，激光源通常不会为所生成的激光束得出完美相同的波长。在这种情况下，所生成的激光束的相干长度可能太小(对应于两个激光束之间的频率差太大)，以至于不能生成具有均匀概率分布的可靠随机数。为了稳定激光束的波长，可以将附加载流子注入激光源的有源介质中。这将导致腔的折射率的变化，并且将由此导致波长的调谐。这可以由控制系统使用，以同步(也称为“调谐”)由上面举例说明的两个激光源生成的激光束的波长。

例如，可以提供用于优选地周期性地测量每个所生成的激光束的波长的一个或多个传感器。或者，可以每10^-5秒等测量一次波长。然后，可以将每个激光束的测量波长与标准波长或另一激光束的波长进行比较。基于该比较的结果，可以改变注入一个或两个激光源中的载流子的量，以便改变腔的折射率，从而调谐波长。因此，波长可以彼此同步并且在较长的时间段上稳定。

由于使激光源以非常特定的波长传送两者对于随机数的生成是不相关的，但是仅需要两个激光源发射具有(几乎)相同波长的激光束以具有长相干长度(对应于低拍频)，因此可以优选的是，激光源的激光束的波长仅彼此同步，而不被调谐到特定标准波长。因此，只要两个波长彼此同步，两个激光源的波长随时间的偏移就可以被接受。

优选地，由激光源发射的激光束的波长被同步，使得所实现的相干长度是根据本发明的系统的最大延伸的至少10倍，优选地100倍，更优选地10⁵倍。具体地，相干长度可以是激光源和光探测器之间的光学距离(也称为光学路径长度)的至少10倍，优选地100倍，更优选地10⁵倍。因此，由于激光源发射的激光束的不完美同步的波长而导致的噪声保持较低，并且随机数的生成遭受较少的故障。

另一个相关的目的可以是以第一和第二激光束之间的频率差尽可能小的方式使激光源同步。优选地，该差小于光探测器的探测带宽，例如比光探测器的探测带宽小至少10倍，优选地小100倍，更优选地甚至小10⁵倍。

Claims (17)

1.一种用于生成随机数的系统(100)，所述系统包括：光学部件，所述光学部件被适配成生成两个光学信号；以及两个光探测器(131、132)，所述两个光探测器(131、132)连接到所述光学部件，其中，第一光探测器被适配成接收第一光学信号并且基于所述第一光学信号来生成第一电信号，并且第二光探测器被适配成接收第二光学信号并且基于所述第二光学信号来生成第二电信号(172)，其中，所述光学部件被适配成生成随机地导致第一电信号和第二电信号的所述第一光学信号和所述第二光学信号，其中，所述第一电信号和所述第二电信号相等或者一个大于另一个，所述系统的特征在于，所述光探测器(131、132)被适配成将所述第一电信号(171)和所述第二电信号(172)传送到比较器(140)，其中，所述比较器被适配成基于所述第一电信号和所述第二电信号的比较来提供输出，从而提供所述随机数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统的所述光学部件包括：两个激光源(111、112)、干涉仪(120)，所述干涉仪相对于所述激光源被布置并且被适配成实现在从第一激光源和第二激光源发射的激光(151、152)之间的干涉，其中，从所述第一激光源发射的所述激光(151)与从所述第二激光源(112)发射的所述激光的相对相位是随机的，其中，所述干涉仪(120)被适配成生成两个干涉光束(161、162)，其中，所述干涉仪被适配成将第一干涉光束传送到所述第一光探测器以用于生成所述第一电信号，并且将第二干涉光束传送到所述第二光探测器以用于生成所述第二电信号。

3.根据权利要求2所述的系统(100)，其中，所述干涉仪(120)是具有两个光学输出端口的迈克尔逊-摩雷利干涉仪或者马赫-曾德尔干涉仪或者多模干涉仪，其中，第一光学输出端口连接到所述第一光探测器(131)，并且第二光学输出端口连接到所述第二光探测器(132)。

4.根据权利要求2或3所述的系统(100)，其中，所述第一激光源(111)和所述第二激光源是激光二极管。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的系统(100)，其中，所述第一激光源(111)被适配成以恒定波模式被驱动，并且所述第二激光源(112)被适配成以脉冲模式被驱动；或者其中，所述第一激光源和所述第二激光源被适配成以脉冲模式被驱动；或者其中，所述第一激光源和所述第二激光源以恒定波模式被驱动；或者其中，所述第一激光源以恒定波模式被驱动，而所述第二激光源被关掉或者不存在。

6.根据权利要求5所述的系统(100)，其中，所述第二激光源(112)被适配成在从低于激光生成阈值的值到高于所述激光生成阈值的值的范围的功率区域中被驱动。

7.根据权利要求5或6所述的系统(100)，其中，所述第二激光源(112)达到高于所述激光生成阈值的值的脉冲重复率大于100MHz，或者大于500MHz或者大于1GHz。

8.根据权利要求2至7中的任一项所述的系统(100)，其中，所述激光源通过单独的波导连接到所述干涉仪(120)，和/或者其中，所述干涉仪通过单独的波导连接到所述光探测器(131、132)中的每个。

9.根据权利要求2至8中的任一项所述的系统(100)，还包括用于对所述激光源进行调温的调温系统(380)，所述调温系统被适配成独立地调节所述第一激光源和所述第二激光源的温度。

10.一种用于使用系统来生成随机数的方法，所述系统包括光学部件、连接到所述光学部件的两个光探测器(131、132)和连接到所述光探测器的比较器，所述方法包括：由所述光学部件生成两个光学信号并且将第一光学信号传送到第一光探测器(131)并且将第二光学信号传送到第二光探测器(132)；由所述第一光探测器基于所述第一光学信号来生成第一电信号(171)并且由所述第二光探测器基于所述第二光学信号来生成第二电信号(172)，其中，所述第一光学信号和所述第二光学信号随机地导致第一电信号和第二电信号，其中，所述第一电信号和所述第二电信号相等或者一个大于另一个，所述方法的特征在于，将所述第一电信号和所述第二电信号传送到所述比较器(140)，并且由所述比较器对所述第一电信号和所述第二电信号进行比较，并且由所述比较器基于所述第一电信号和所述第二电信号的所述比较来提供输出，从而提供所述随机数。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述光学部件包括两个激光源(111、112)和干涉仪(120)，并且其中，生成所述第一光学信号和所述第二光学信号包括由所述激光源中的每个将激光发射到所述干涉仪中，其中，由第一激光源(111)发射的所述激光和由第二激光源(112)发射的激光的相对相位是随机的；由所述干涉仪生成两个干涉光束，所述干涉仪将第一干涉光束(151)传送到所述第一光探测器以生成所述第一电信号并且将第二干涉光束(152)传送到所述第二光探测器以生成所述第二电信号。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在所述第一电信号大于所述第二电信号的情况下，所述比较器(140)的所述输出为1，在任何其他情况下，所述比较器的所述输出为0。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一激光源(111)以恒定波模式被驱动，并且所述第二激光源(112)以脉冲模式被驱动；或者其中，所述第一激光源和所述第二激光源以脉冲模式被驱动。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二激光源(112)在从低于激光生成阈值的值到高于所述激光生成阈值的值的范围的功率区域中周期性地被驱动，其中，所述第二激光源周期性地达到所述激光生成阈值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二激光源(112)达到高于所述激光生成阈值的值的脉冲重复率大于100MHz、或者大于500MHz、或者大于1GHz。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的方法，其中，调温系统(380)独立地调节所述第一激光源(111)和所述第二激光源(112)的温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述调温系统(380)调节所述温度，使得所述第一激光源(111)的所述温度与所述第二激光源(112)的所述温度之差小于0.1K。

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