CN113949507A - 基于路径选择光路的量子真随机数生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法、系统及存储介质，利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；通过50％‑50％分束器级联构建1‑2N路径选择光路；从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出；利用2N通道单光子探测器或采用时分复用系统和单台单光子探测器探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列。本发明通过光学器件高品质特性和可芯片集成，可以为安全通信、机器学习、随机算法等提供全新的随机数产生的方向。
Description
技术领域
本发明属于计算机和量子光学交叉学科领域，具体是指一种通过路径选择光路实现单光子等概率多端口随机输出、通过输出端口响应编译物理层量子真随机数序列的技术，尤其涉及一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法、系统及存储介质。
背景技术
单光子光源是一种在量子光学领域特别是量子通信领域得到广泛应用的非经典光源，通常通过激励量子点或金刚石色心缺陷的方式实现。单光子态光子特性迥异于相干态光子，零延迟二阶相关系数理想值为0，物理实际可表述为：单光子通过光学分束器时将按照等同于分束比的概率比从两个输出端口随机输出。这一特性被广泛应用于量子传感、量子计算和路径选择量子通信。另一方面，量子通信技术的核心是将量子态保真无损地分发给通信双方，任何对传输信道的干扰(无论是窃听攻击还是环境意外)都会打破量子态同步共享机制，引起通信双方察觉。量子通信技术分支中最为成熟的量子保密通信技术，其本质是通过量子态分发实现通信双方母本密钥的实时共享，通过母本密钥或变换密码对明文信息进行加解密处理，最大限度地避免了暴力破解风险。这一属性基于海森堡测不准原理，获益于量子通信固有的真随机特性。
随机数生成技术在蒙特卡洛估算、PN码分多址、Hardcore加密、机器学习模型训练等应用中发挥重要作用。然而，通过算法产生的随机数都是伪随机数，理论上可以根据已生成随机数(经过大量计算)预测未来随机数；只有通过真实随机事件生成的随机数才是真随机数，通常通过机器运行环境中产生的硬件噪声获得，包括放大电路热噪声、电磁场环境噪声等，该方案存在不可控风险且随机数生成速度较低。
发明内容
针对现有技术，本发明要解决的技术问题是利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；通过级联50％-50％分束器构建1-2N路径选择光路(也可通过级联1-M等比例光学分束器构建1-MN路径选择光路)；从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出，理想情况下(即各分束器分束比严格均匀、各路径传输损耗完全一致)单光子输出端口将为真随机事件；利用2N通道的单光子探测器探测输出端口序号，或者利用时分复用系统将不同端口单光子复用于不同时序位置并通过2N倍于单光子序列重复频率的单光子探测器探测输出端口序号；将输出端口序号按时间顺序转换为数字序列，即为量子真随机数序列。
为了达到上述效果，本发明提供的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列，构建1-2N路径选择光路，从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出，2N通道单光子探测器或采用时分复用和单台单光子探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列；
优选的，上述路径选择光路包括单光子从路径选择光路单一端口输入可从多个端口等概率随机输出；通过级联1-M等比例光学分束器构建1-MN路径选择光路，或通过偏振旋转控制单光子偏振态使其通过每个偏振分束器时均等概率从两臂随机输出实现，所述1-2N路径选择光路包括2N-1个偏振分束器和2N-1个偏振旋转器，其中N代表层级数；
优选的，上述单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录。
优选的，上述单光子光源通过电泵浦/光泵浦量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现。
优选的，上述弱相干脉冲光源通过衰减激光脉冲至单脉冲平均光子数为0.1的优化值实现。
优选的，上述路径选择光路可以通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
优选的，上述单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录通过多通道单光子探测器实现，或通过时分复用系统单通道高速单光子探测器实现。
优选的，上述时分复用系统在时间尺度上将不同端口响应按序排列，所述单光子探测器根据响应出现的时间位置逆推响应端口序号。
优选的，上述时分复用系统通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
优选的，上述构建1-2N路径选择光路通过50％-50％分束器级联实现。
一种实现如上述基于路径选择光路的量子真随机数生成方法的系统，包括：
序列生成单元，用于利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；
光路构建单元，用于通过50％-50％分束器级联构建1-2N路径选择光路；
单光子输出单元，用于从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出；
序列转换单元，用于利用2N通道单光子探测器或采用时分复用系统和单台单光子探测器探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，通过路径选择光路器件性能和单光子探测器工作状态的优化调整，实现生成速率超过106/s(单光子探测器重复频率)的近理想真随机数序列，满足安全通信、机器学习、随机算法等应用需求，克服了传统基于机器运行环境硬件噪声的随机数生成器面临的生成速率较低、稳定性较差等实用问题。
其次，本发明所述路径选择光路结构简单易于集成，毋须加电调控，现阶段光学分束器工艺高度成熟，传输损耗和分光比均接近理想值，客观上保证了本发明所述量子真随机数生成器的推广应用。
此外，与传统偏振编码量子真随机数生成器相比，本发明具备更高的随机数生成速率：偏振编码量子真随机数生成器利用单光子随机分布的偏振特性将其等概率分离到两条路径并通过单光子探测生成随机数，每个光子可生成1位随机数；
最后，本发明中，通过1-2N路径选择光路，每个光子可生成N位随机数；如果采用1-M分束器搭建路径选择光路，分光次数为N，则每个光子可生成的随机数位数为N*[log2M]。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明基于路径选择光路的量子真随机数生成器示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本实施例提供一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，包括：
单光子序列产生，通过单光子光源或衰减弱相干脉冲序列实现；
路径选择光路构建，通过级联分束器实现；
输出端口探测，通过多通道单光子探测器或时分复用系统与单通道单光子探测器实现。
在一些实施例中，单光子序列产生具体为：利用高速调制信号激励单光子光源产生重复频率固定的单光子序列，理想情况下每个时序位置都有处于单光子态的光子(即不存在空脉冲、不存在非单光子态的噪声光子)；或通过光学衰减器衰减重复频率固定的激光脉冲，将单脉冲平均光子数(通过功率计算获得)降至0.1(优化值)获得空脉冲占比90％、特性接近单光子的弱相干脉冲序列。
如图1所示，为本发明基于路径选择光路的量子真随机数生成器的结构，单光子(黑色实点)通过左侧光栅耦合进入路径选择光路入射端，路径选择光路由7个50％-50％分束器级联构成，单光子将会从路径选择光路8个输出端口等概率(12.5％)随机输出。其中，探测方法是，将路径选择光路的8个输出端口与8通道单光子探测器输入端口分别相连，通过按序收集单光子探测器响应通道序号生成随机数序列。
在一些实施例中，路径选择光路输出端口越多，随机数生成速度越快，但所需单光子探测器通道数越多，随机数生成器成本越高。图1展示了一种基于时分复用系统的单通道探测方法，将路径选择光路的输出端口与时分复用系统的输入端口分别相连，沿各路径传输的单光子通过光学耦合器依次耦合进入同一路径，可通过控制各路径光学时延实现路径序号与时序位置的一一映射；通过单通道高速单光子探测器时间响应生成随机数序列。理想情况下，即光学分束器分束比严格为50％-50％、路径选择光路各路径传输损耗严格相同、时分复用系统各路径传输损耗(包括光学耦合器插入损耗)严格相同、单光子探测器重复频率8倍以上于单光子探测器序列且探测效率恒常不变，该系统将生成基于量子力学基本原理的高速真随机数序列。
本发明提供一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法的实施例，包括：
S101、利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；
S102、构建1-2N路径选择光路；
S103、从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出；
S104、2N通道单光子探测器或采用时分复用和单台单光子探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列。
在一些实施例中，路径选择光路包括单光子从路径选择光路单一端口输入可从多个端口等概率随机输出；通过级联1-M等比例光学分束器构建1-MN路径选择光路，或通过偏振旋转控制单光子偏振态使其通过每个偏振分束器时均等概率从两臂随机输出实现，所述1-2N路径选择光路包括2N-1个偏振分束器和2N-1个偏振旋转器，其中N代表层级数；
在一些实施例中，单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录。
在一些实施例中，单光子光源通过电泵浦/光泵浦量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现。
在一些实施例中，弱相干脉冲光源通过衰减激光脉冲至单脉冲平均光子数为0.1的优化值实现。
在一些实施例中，路径选择光路可以通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
在一些实施例中，芯片材料包括但不限于高折射率石英、晶体硅、载氢非晶硅、氮化硅、铝镓砷、硫系玻璃、碳化硅、铌酸锂等。
在一些实施例中，单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录通过多通道单光子探测器实现，或通过时分复用系统单通道高速单光子探测器实现。
在一些实施例中，芯片材料包括但不限于高折射率石英、晶体硅、载氢非晶硅、氮化硅、铝镓砷、硫系玻璃、碳化硅、铌酸锂等。
在一些实施例中，时分复用系统在时间尺度上将不同端口响应按序排列，所述单光子探测器根据响应出现的时间位置逆推响应端口序号。
在一些实施例中，时分复用系统通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
在一些实施例中，构建1-2N路径选择光路通过50％-50％分束器级联实现。
本发明提供一种实现基于路径选择光路的量子真随机数生成方法的系统，包括：
序列生成单元，用于利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；
光路构建单元，用于通过50％-50％分束器级联构建1-2N路径选择光路；
单光子输出单元，用于从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出；
序列转换单元，用于利用2N通道单光子探测器或采用时分复用系统和单台单光子探测器探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列。
本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明提供一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法的实施例，包括：
首先，通过激励量子点、金刚石色心缺陷等方案生成单光子序列或通过衰减激光脉冲生成单脉冲平均光子数为0.1的弱相干脉冲序列。
其次，构建一对多路径选择光路，使得单一端口输入的单光子能够等概率从多个端口输出。在一些实施例中，这一物理随机过程既可通过自由空间光路或全光纤器件实现，也可通过芯片集成光路实现；既可通过级联光学分束器实现，也可通过级联偏振分束器和偏振旋转器实现。
最后，利用单光子探测器探测路径选择光路每个端口输出，生成随机数序列。在一些实施例中，既可通过多通道单光子探测器并行实现，也可通过时分复用系统和单通道高速单光子探测器串行实现。
与现有技术相比，本发明将单光子序列或弱相干脉冲序列输入路径选择光路，经过真随机过程后等概率随机从路径选择光路输出端口输出，利用时分复用系统将单光子输出端口序号转换为时间位置序号并通过单光子探测器探测，生成真随机数序列。基本发明技术生成的真随机数符合量子力学基本原理，且具有生成速率高、稳定性好、结构简单、易于集成等诸多优点，可以作为真随机数生成器的全新方案，为安全通信、机器学习、随机算法等应用提供重要支撑。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列，构建1-2N路径选择光路，从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出，2N通道单光子探测器或采用时分复用和单台单光子探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列；
所述路径选择光路包括单光子从路径选择光路单一端口输入可从多个端口等概率随机输出；通过级联1-M等比例光学分束器构建1-MN路径选择光路，或通过偏振旋转控制单光子偏振态使其通过每个偏振分束器时均等概率从两臂随机输出实现，所述1-2N路径选择光路包括2N-1个偏振分束器和2N-1个偏振旋转器，其中N代表层级数；
所述单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录。
2.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述单光子光源通过电泵浦/光泵浦量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现。
3.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述弱相干脉冲光源通过衰减激光脉冲至单脉冲平均光子数为0.1的优化值实现。
4.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述路径选择光路可以通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
5.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述单光子任一时刻从任一端口输出响应会被单光子探测器准确记录通过多通道单光子探测器实现，或通过时分复用系统单通道高速单光子探测器实现。
6.根据权利要求5所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述时分复用系统在时间尺度上将不同端口响应按序排列，所述单光子探测器根据响应出现的时间位置逆推响应端口序号。
7.根据权利要求5或6所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述时分复用系统通过自由空间光路、全光纤光路实现，或通过芯片集成光路实现。
8.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的量子真随机数生成方法，其特征在于，所述构建1-2N路径选择光路通过50％-50％分束器级联实现。
9.一种实现如权利要求1-8所述基于路径选择光路的量子真随机数生成方法的系统，其特征在于，所述系统包括：
序列生成单元，用于利用单光子光源或衰减脉冲激光生成单光子序列或弱相干脉冲序列；
光路构建单元，用于通过50％-50％分束器级联构建1-2N路径选择光路；
单光子输出单元，用于从单一端口输入的单光子将等概率从2N个端口输出；
序列转换单元，用于利用2N通道单光子探测器或采用时分复用系统和单台单光子探测器探测各端口响应，将单光子序列转换为随机数序列。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
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