CN114285574A - 一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法及系统，相较于现有技术，能够额外解决攻击者通过注入强光的方法来控制测量结果的强光致盲攻击，通过后处理协议的调整，在没有增加任何装置让系统变复杂的情况下，就能够抵御强光致盲攻击；从而相较于一般的源无关量子随机数生成协议，能够生成安全性更高的量子随机数；而且本发明能够直接应用于高维，从而作为源无关的高维随机数生成协议；随着维度增加，单轮发送能够携带的随机性增加，从而在保证高安全性的情况下，提升量子随机数生成的效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子随机数生成领域，具体涉及一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法及系统。
背景技术
随机数所具有的不可预测性不仅为密码学任务提供安全性保障，还广泛应用于涉及仿真模拟等数学问题的领域中。例如随机采样问题，如果在统计学中，采样不够随机，就会产生偏差，导致结果的不可靠。例如量子密钥分发协议，如果制备态的选择与测量基矢的选择不够随机，将会向攻击者泄露信息，导致分发失败。
在早期，随机数的生成利用的是复杂的数学公式，通过随机起始点，经过确定性计算，生成看似随机的伪随机数。之后，人们发现并利用自然界中的天然物理随机数，例如白噪声、星空随机数等，这类随机数虽然无法用一个具体的数学公式来精确描述，但是应当服从经典动力学，经典动力学演化具有确定的演化轨迹。而量子随机数则利用量子力学基本原理，测量某一个自由度（基矢）时坍缩到一个本征态是概率性的，保证了生成的随机数无法预测。只要量子力学仍然完备，量子随机数就具有真正的随机性。
然而通过测量来获得量子随机数，就需要考虑到量子信号在测量基矢下，不同本征态是否等概率叠加，或者是以什么概率叠加的。否则如果接收到的量子信号恰为测量基矢某一本征态，则能够截获线路或者掌握光源的一方就能提前知晓测量结果，不具备随机性。因此，需要源无关的量子随机数生成器，从而杜绝光源随机性不足，以及存在窃听者在源和测量之间进行攻击。一个名为“源无关量子随机数的产生方法及装置”（CN 104238996B）的专利通过两个不对易基矢的随即测量与参数估计实现了源无关的量子随机数生成。但是，该专利提出的方案不能够解决针对探测器的强光致盲攻击。攻击者通过向探测端发送相对较强的光，将单光子探测器从原有可以检测到单个光子输入的工作模式转变成经典模式，即只有信号达到一定光强才能响应。此时，如果攻击者指定发送某一种本征态下的光强较大的信号光，就只有对应的某个探测器响应。而探测端变换到另一个基矢进行监测时，根据量子力学原理，信号分成两半进入两个探测器，由于光强减半，低于经典探测阈值，就不会响应，进而不会被发现。因此，该方案存在安全性漏洞。同时，该方案仅为一个二维测量系统，单次发送只携带一比特信息。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法及系统，解决了目前的源无关量子随机数的技术方案不能够解决针对探测器的强光致盲攻击的问题，而且目前的方案仅为一个二维测量系统，单次发送只携带一比特信息。本发明能够额外解决攻击者通过注入强光的方法来控制测量结果的强光致盲攻击，在不增加装置的情况下，仍能够提取安全的量子随机数。该方案可以用于高维随机数生成，具有同样的安全性。
技术方案：本发明一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，包括以下步骤：
（1）从监测基矢或成码基矢中随机选择一个基矢用于入射信号光的测量，该基矢的维度
；其中，随机选择为主动基矢选择，即消耗随机数来选择测量的基矢；或者为被动基矢选择，即不消耗随机数来选择测量的基矢；
（2）若步骤（1）中随机选择为主动基矢选择，且选择测量的基矢为监测基矢，则需要消耗随机数来选择一个探测器作为本轮用于测量监测基矢本征态
态的探测器；
（3）重复步骤（1）、步骤（2）
轮，实现
轮测量，其中
轮选择测量的基矢为监测基矢，
轮选择测量的基矢为成码基矢，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；
（4）将步骤（3）得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
进一步的，所述监测基矢的测量结果用于参数估计的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为监测基矢的情况，将只有测量监测基矢本征态
态的探测器单独响应的结果记为正确事件，共
轮；而其他事件，包括无探测器响应、非
的探测器单独响应和多个探测器响应记为错误事件，估计监测基矢所用探测轮次的错误率
。
进一步的，所述成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为成码基矢的情况，将只有单个探测器响应的结果记为正确事件，共
轮，保留并记录响应探测器代表的随机数值，形成随机数串；而其他事件，包括无探测器响应和多个探测器响应记为丢弃事件，不用于形成随机数串，但统计其在成码基矢所有事件中所占比例，用于安全随机数提取。
进一步的，所述参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串的具体过程为：
1）根据随机采样方法，将测得的监测基矢错误率
转变为实测了成码基矢的信号态假设被测量了监测基矢将会得到的错误率上限
，从而保证有限码长下的安全性；
2）然后，由于只利用成码基矢测量获得的单个探测器响应事件用于生成随机数，所以这些单个探测器响应事件所对应的信号态在假设被测量了监测基矢时，将会得到的错误率上限
，从而避免为多响和无响应事件消耗额外的随机数标定；
3）在利用熵不确定性关系可以得到随机数串长度公式
；其中
为熵不确定性关系中的参数，
是二进制香农熵函数，其表达式为
是指基矢随机选择为主动基矢选择和探测器选择时消耗的随机数，
代表有限码长下该随机数串的可组合安全。
本发明还包括一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置；
不可信的随机性光源，用于制备并发送不可信信号光；
信道，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置；
可信但构造公开的探测装置，用于从监测或成码基矢中选择基矢进行入射信号光的测量，并将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
进一步的，所述可信但构造公开的探测装置包括探测模块、基矢选择模块、
探测器选择模块和数据处理模块；
探测模块，用于根据基矢选择模块与
探测器选择模块给出的指令对输入的信号光利用探测器进行相应的测量，并将测量响应情况反应给数据处理模块；
基矢选择模块，用于随机选择成码基矢和监测基矢中的一个基矢应用于本轮需要测量的信号光，并将随机选择结果发送给探测模块与
探测器选择模块；
数据处理模块，用于根据探测模块和
探测器选择模块传输来的所有信息，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
进一步的，所述不可信的随机性光源包括光源模块，所述光源模块用于制备并发送不可信信号光；所述信道包括传输模块，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置。
进一步的，所述不可信的随机性光源包括第一激光器和第一强度调制器，所述第一激光器发出的光通过第一强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光；
所述信道包括保偏光纤慢轴，所述保偏光纤慢轴将高消光比的脉冲光传输到可信但构造公开的探测装置；
所述可信但构造公开的探测装置包括第一环形器、第一保偏偏振分束器、45°耦合的保偏偏振分束器、第一探测器、第二探测器、第一相位调制器、第一延长线和第一控制处理器；所述第一环形器的一端口输入高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光透过第一保偏偏振分束器进入45°耦合的保偏偏振分束器，脉冲光经过45°耦合后根据偏振分成两束，一束先经过第一延长线再进入第一相位调制器，另一束经过第一相位调制器后再进入第一延长线，最后同时回到45°耦合的保偏偏振分束器；第一相位调制器根据第一控制处理器提供的信号对脉冲光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；脉冲光回到45°耦合的保偏偏振分束器合并后再进入第一保偏偏振分束器，根据第一保偏偏振分束器的偏振分成两束，一束进入第二探测器，另一束进入第一环形器，第一环形器将进入第一环形器的光送入第一探测器；第一探测器和第二探测器进行探测并将结果传输给第一控制处理器，第一控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
进一步的，所述不可信的随机性光源包括第二激光器、第二强度调制器和45°旋转器，所述第二激光器发出的光通过第二强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光被45°旋转器进行旋转形成信号光；
所述可信但构造公开的探测装置包括第二环形器、第二保偏偏振分束器、第三保偏偏振分束器、第三探测器、第四探测器、第二相位调制器、第二延长线和第二控制处理器；所述第二环形器的一端口输入信号光，然后信号光经过第二保偏偏振分束器，根据偏振分成两束，一束先经过第二延长线再进入第二相位调制器，另一束经过第二相位调制器后再进入第二延长线，最后同时回到第二保偏偏振分束器；第二相位调制器根据第二控制处理器提供的信号对光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；回到第二保偏偏振分束器的光合并后进入第二环形器，第二环形器将该束光送入第三保偏偏振分束器，第三保偏偏振分束器根据偏振分成两束，一束进入第三探测器，另一束进入第四探测器；第三探测器和第四探测器进行探测并将结果传输给第二控制处理器，第二控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
进一步的，所述不可信的随机性光源包括第三激光器和第三强度调制器，所述第三激光器发出的光通过第三强度调制器斩波形成时间型脉冲光，即4个时间窗组成的一轮发送中，仅在一个时间窗有脉冲；
所述可信但构造公开的探测装置包括第一至第七分束器、第五至第九探测器、第三至第五延长线和第三控制处理器；其中第三延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时2T，第四延长线和第五延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时T；T是指相邻时间窗间隔；时间型脉冲光经过第一分束器，一部分光分束向第五探测器，用于探测到底在哪个时间窗有响应，即监测基矢测量；一部分光透过第一分束器进入第二分束器，以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时2T，然后两束光在第三分束器处干涉并分别向第四分束器和第六分束器，第四分束器、第五分束器、第六探测器和第七探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；第六分束器、第七分束器、第八探测器和第九探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；最终所有测量结果都被第三控制处理器收集，第三控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
本发明的有益效果：
（1）本发明相较于现有技术，能够额外解决攻击者通过注入强光的方法来控制测量结果的强光致盲攻击，通过后处理协议的调整，在没有增加任何装置让系统变复杂的情况下，就能够抵御强光致盲攻击；从而相较于一般的源无关量子随机数生成协议，能够生成安全性更高的量子随机数；
（2）本发明能够直接应用于高维，从而作为源无关的高维随机数生成协议；随着维度增加，单轮发送能够携带的随机性增加，从而在保证高安全性的情况下，提升量子随机数生成的效率；
（3）本发明安全性达到了能够在有限码长条件下，抵御量子相干攻击与强光致盲攻击的可组合安全。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明系统结构示意图；
图3为实施例1的结构示意图；
图4为实施例2的结构示意图；
图5为实施例3的结构示意图；
图6为本发明的主动基矢选择的随机数提取率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
本发明提出了能够抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法及系统，其在能够抵御量子相干攻击（最强的量子攻击）同时，还能够额外抵御强光致盲攻击。强光致盲攻击是指：
攻击者通过发送连续或不连续的相对一般量子信号光较强的光进入可信但构造公开的探测装置，使得该探测装置中的探测器，发生了从能够检测到单个光子进入并响应的正常工作模式（量子模式），到只有达到一定光强（至少超过一个光子）的信号光才能够响应的非正常工作模式（经典模式）的转变。
在探测器处于经典模式状态的时间里，攻击者向探测装置额外发送一定强度的信号光，则会控制测量结果。目前有以下两种方案，均包含在本发明可以抵御的强光致盲攻击中。
方案一：攻击者发送其想要本次探测装置测量到的成码基矢本征态的信号光，光强大于对应探测器的探测阈值；与此同时，攻击者使得在测量监测基矢时没有探测器响应，来避免被监测到进行了攻击。这说明攻击者发送的光光强不超过监测基矢下所有探测器的探测阈值中最小的值
的
倍，即发送光强小于
。其中
是探测装置的测量基矢的维度（即基矢本征态个数）。
方案二：攻击者发送其想要本次探测装置测量到的成码基矢本征态的信号光，光强大于对应探测器的探测阈值；与此同时，攻击者使得在测量监测基矢时，有且仅有代表
态的探测器响应。这里的
态是指，在监测基矢下如果测量到了这个本征态且只有这个态对应的探测器响应，探测装置认为接收到了安全正确的信号光。这样监测基矢也无法监测到受到攻击。这要求攻击者使得代表
态的探测器的探测阈值最小，设为
；而其他探测器中探测阈值最小的那个阈值为
要大于
。这样，在保证所有探测器的探测阈值小于
的情况下，只要发送光强大于
，就可以实现：如果探测装置本次测量成码基矢则得到与攻击者设置一致的结果，而测量监测基矢时每个探测器入射的光均大于
却略小于
，从而仅代表
态的探测器响应。
如图1所示，针对以上强光致盲攻击，本发明提出了一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，包括以下步骤：
（1）从监测基矢或成码基矢中随机选择一个基矢用于入射信号光的测量，该基矢的维度
；其中，随机选择为主动基矢选择，即消耗随机数来选择测量的基矢；或者为被动基矢选择，即不消耗随机数来选择测量的基矢；消耗随机数来选择测量的基矢是指，通过随机数发生器生成一组随机数，可令随机数中的1代表监测基矢，0代表成码基矢，反之也可以；从而达到随机选择的效果，该方法则为消耗随机数来选择测量的基矢；
（2）若步骤（1）中随机选择为主动基矢选择，且选择测量的基矢为监测基矢，则需要消耗随机数来选择一个探测器作为本轮用于测量监测基矢本征态
态的探测器；
（3）重复步骤（1）、步骤（2）
轮，实现
轮测量，其中
轮选择测量的基矢为监测基矢，
轮选择测量的基矢为成码基矢，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；
监测基矢的测量结果用于参数估计的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为监测基矢的情况，将只有测量监测基矢本征态
态的探测器单独响应的结果记为正确事件，共
轮；而其他事件，包括无探测器响应、非
的探测器单独响应和多个探测器响应记为错误事件，估计监测基矢所用探测轮次的错误率
。
成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为成码基矢的情况，将只有单个探测器响应的结果记为正确事件，共
轮，保留并记录响应探测器代表的随机数值，形成随机数串；而其他事件，包括无探测器响应和多个探测器响应记为丢弃事件，不用于形成随机数串，但统计其在成码基矢所有事件中所占比例，用于安全随机数提取。
（4）将步骤（3）得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串，具体过程为：
1）根据随机采样方法，将测得的监测基矢错误率
转变为实测了成码基矢的信号态假设被测量了监测基矢将会得到的错误率上限
，从而保证有限码长下的安全性；
2）然后，由于只利用成码基矢测量获得的单个探测器响应事件用于生成随机数，所以这些单个探测器响应事件所对应的信号态在假设被测量了监测基矢时，将会得到的错误率上限
，从而避免为多响和无响应事件消耗额外的随机数标定；
3）在利用熵不确定性关系可以得到随机数串长度公式
；其中
为熵不确定性关系中的参数，与两个基矢的对易性以及维度有关，
是二进制香农熵函数，其表达式为
是指基矢随机选择为主动基矢选择和探测器选择时消耗的随机数，
代表有限码长下该随机数串的可组合安全。
本协议首次将无响应事件标记为攻击事件，从而能够估计强光致盲攻击的上限。同时，在随机选择轮次用于监测基矢测量时，还要随机选择一个探测器作为监测基矢下，标记正确事件的探测器。从而，即使攻击者任意设计不同探测器的探测阈值，本协议也能够估计强光致盲攻击的上限。实现高效高安全性的量子随机数生成。
需要指出的是，用作监测基矢和成码基矢的基矢自由度可以交换其用途，即可以将原先用作监测基矢的基矢自由度用作成码基矢，原先用作成码基矢的基矢自由度用作监测基矢。本方法的监测基矢和成码基矢，是根据其用于参数估计还是生成原始随机数串进行区分的。
如图2所示，本发明还包括一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，以实现上述方法，该系统包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置；
不可信的随机性光源，用于制备并发送不可信信号光；
信道，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置；
可信但构造公开的探测装置，用于从监测或成码基矢中选择基矢进行入射信号光的测量，并将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
其中，不可信的随机性光源包括光源模块1，光源模块1用于制备并发送不可信信号光；
信道包括传输模块2，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置；
可信但构造公开的探测装置包括探测模块3、基矢选择模块4、
探测器选择模块5和数据处理模块6；
探测模块3，用于根据基矢选择模块4与
探测器选择模块5给出的指令对输入的信号光利用探测器进行相应的测量，并将测量响应情况反应给数据处理模块6；
基矢选择模块4，用于随机选择成码基矢和监测基矢中的一个基矢应用于本轮需要测量的信号光，并将随机选择结果发送给探测模块3与
探测器选择模块5；
数据处理模块6，用于根据探测模块3和
探测器选择模块5传输来的所有信息，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
我们将基矢选择模块4、
探测器选择模块5和数据处理模块6整体标记为经典的控制与处理器，控制与处理器中的所有模块通常可以用包含一些组件的一个设备来实现，例如一台电脑。
需要注意的是，作为源无关量子随机数生成问题，源的选择应当是不受限制的，因此本发明方法中我们仅阐述当接到不可信光以后，该如何处理；但是，作为用于实际的具体设备系统，鉴于随机数生成系统通常仅为一个使用者想要生成不被他人知晓的随机数串，系统通常需要主动提供一个随机性源例如光源给使用者。光源制备不可信的信号光，是指信号光是否真实地按照我们希望它制备的光来进行制备，是未知的，光源可以被攻击者替换或攻击，因此信号光不可信。本发明方法用在这个系统里，就是在估计制备的光与我们期望的光的不符合程度，从而认定随机性的大小最终从中提取安全的随机数，或者能够认定信号光随机性不足从而提取到0随机数。
实施例1
如图3所示，本实施例提供一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置，该系统的基矢维度
，使用的基矢自由度为偏振自由度，采用的基矢选择方式是主动基矢选择。
不可信的随机性光源包括第一激光器和第一强度调制器，第一激光器发出的光通过第一强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光；
信道包括保偏光纤慢轴，保偏光纤慢轴将高消光比的脉冲光传输到可信但构造公开的探测装置；
可信但构造公开的探测装置包括第一环形器、第一保偏偏振分束器、45°耦合的保偏偏振分束器、第一探测器、第二探测器、第一相位调制器、第一延长线和第一控制处理器；第一控制处理器可采用电脑。
每个信号光经过如下流程被测量：第一环形器的一端口输入高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光透过第一保偏偏振分束器进入45°耦合的保偏偏振分束器，脉冲光经过45°耦合后根据偏振分成两束，一束先经过第一延长线再进入第一相位调制器，另一束经过第一相位调制器后再进入第一延长线，最后同时回到45°耦合的保偏偏振分束器；第一相位调制器根据第一控制处理器提供的信号对脉冲光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；脉冲光回到45°耦合的保偏偏振分束器合并后再进入第一保偏偏振分束器，根据第一保偏偏振分束器的偏振分成两束，一束进入第二探测器，另一束进入第一环形器，第一环形器将进入第一环形器的光送入第一探测器；第一探测器和第二探测器进行探测并将结果传输给第一控制处理器，第一控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
实施例2
如图4所示，本实施例提供一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置，该系统的基矢维度
，使用的基矢自由度为偏振自由度，采用的基矢选择方式是主动基矢选择。
不可信的随机性光源包括第二激光器、第二强度调制器和45°旋转器，第二激光器发出的光通过第二强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光被45°旋转器进行旋转形成信号光；其中45°旋转器可以是波片构成，也可以是其他能够对光旋转45°的装置构成；
可信但构造公开的探测装置包括第二环形器、第二保偏偏振分束器、第三保偏偏振分束器、第三探测器、第四探测器、第二相位调制器、第二延长线和第二控制处理器；
每个信号光经过如下流程被测量：第二环形器的一端口输入信号光，然后信号光经过第二保偏偏振分束器，根据偏振分成两束，一束先经过第二延长线再进入第二相位调制器，另一束经过第二相位调制器后再进入第二延长线，最后同时回到第二保偏偏振分束器；第二相位调制器根据第二控制处理器提供的信号对光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；回到第二保偏偏振分束器的光合并后进入第二环形器，第二环形器将该束光送入第三保偏偏振分束器，第三保偏偏振分束器根据偏振分成两束，一束进入第三探测器，另一束进入第四探测器；第三探测器和第四探测器进行探测并将结果传输给第二控制处理器，第二控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
实施例3
如图5所示，本实施例提供一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置，该系统的基矢维度
，使用的基矢为时间相位基矢，其中时间基矢为监测基矢，相位基矢为成码基矢，采用的基矢选择方式是被动基矢选择。
不可信的随机性光源包括第三激光器和第三强度调制器，第三激光器发出的光通过第三强度调制器斩波形成时间型脉冲光，即4个时间窗组成的一轮发送中，仅在一个时间窗有脉冲；
可信但构造公开的探测装置包括第一至第七分束器、第五至第九探测器、第三至第五延长线和第三控制处理器；其中第三延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时2T，第四延长线和第五延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时T；T是指相邻时间窗间隔；
每个信号光经过如下流程被测量：时间型脉冲光经过第一分束器，一部分光分束向第五探测器，用于探测到底在哪个时间窗有响应，即监测基矢测量；一部分光透过第一分束器进入第二分束器，以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时2T，然后两束光在第三分束器处干涉并分别向第四分束器和第六分束器，第四分束器、第五分束器、第六探测器和第七探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；第六分束器、第七分束器、第八探测器和第九探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；最终所有测量结果都被第三控制处理器收集，第三控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
总得来说，只有第一分束器是用来将信号光分为用于测量时间基矢还是相位基矢，因此可以设为1：99；其他分束器均为50：50。这里因为只用第五探测器测量监测基矢，从而保证了监测基矢各种本征态所用探测器的探测阈值一致，从而攻击者只能使之不响应，不能实现只在正确的时刻响应；其余四个探测器结果分别代表四个相位本征态，用于成码。因为通过延时干涉，原来的4个时间窗会被展开成7个，只有正中间时间窗响应才是真实的相位本征态响应数据。
由此可以看出，通过扩展时间窗，比如发送8时间窗的脉冲，可信但构造公开的探测装置可以改为延时4T干涉，然后两束干涉结果分别作延时2T干涉，然后四束干涉结果分别做延时T干涉，输入8个探测器。这样就实现
的随机数生成器。因此扩展时间窗则可以实现高维随机数生成。
实验发现：在主动基矢选择下，通过优化发送光强，能够从单轮发送（包括用于监测的轮次）提取的平均随机数在不同维度下，如图6所示。其中，我们设置探测器探测效率0.2，暗计数概率
，安全性
，总发射脉冲
。可见随着维度增加，能够生成的随机数越多。本发明方法在抵御强光致盲攻击的同时，能够生成可观的随机数，因此非常实用。
Claims (10)
1.一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）从监测基矢或成码基矢中随机选择一个基矢用于入射信号光的测量，该基矢的维度
；其中，随机选择为主动基矢选择，即消耗随机数来选择测量的基矢；或者为被动基矢选择，即不消耗随机数来选择测量的基矢；
（2）若步骤（1）中随机选择为主动基矢选择，且选择测量的基矢为监测基矢，则需要消耗随机数来选择一个探测器作为本轮用于测量监测基矢本征态
态的探测器；
（3）重复步骤（1）、步骤（2）
轮，实现
轮测量，其中
轮选择测量的基矢为监测基矢，
轮选择测量的基矢为成码基矢，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；
（4）将步骤（3）得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
2.根据权利要求1所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，其特征在于：所述监测基矢的测量结果用于参数估计的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为监测基矢的情况，将只有测量监测基矢本征态
态的探测器单独响应的结果记为正确事件，共
轮；而其他事件，包括无探测器响应、非
的探测器单独响应和多个探测器响应记为错误事件，估计监测基矢所用探测轮次的错误率
。
3.根据权利要求2所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，其特征在于：所述成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串的具体过程为：
对于
轮选择测量的基矢为成码基矢的情况，将只有单个探测器响应的结果记为正确事件，共
轮，保留并记录响应探测器代表的随机数值，形成随机数串；而其他事件，包括无探测器响应和多个探测器响应记为丢弃事件，不用于形成随机数串，但统计其在成码基矢所有事件中所占比例，用于安全随机数提取。
4.根据权利要求3所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生方法，其特征在于：所述参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串的具体过程为：
1）根据随机采样方法，将测得的监测基矢错误率
转变为实测了成码基矢的信号态假设被测量了监测基矢将会得到的错误率上限
，从而保证有限码长下的安全性；
2）然后，由于只利用成码基矢测量获得的单个探测器响应事件用于生成随机数，所以这些单个探测器响应事件所对应的信号态在假设被测量了监测基矢时，将会得到的错误率上限
，从而避免为多响和无响应事件消耗额外的随机数标定；
3）在利用熵不确定性关系可以得到随机数串长度公式
；其中
为熵不确定性关系中的参数，
是二进制香农熵函数，其表达式为
是指基矢随机选择为主动基矢选择和探测器选择时消耗的随机数，
代表有限码长下该随机数串的可组合安全。
5.一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：包括不可信的随机性光源、信道和可信但构造公开的探测装置；
不可信的随机性光源，用于制备并发送不可信信号光；
信道，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置；
可信但构造公开的探测装置，用于从监测或成码基矢中选择基矢进行入射信号光的测量，并将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
6.根据权利要求5所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：所述可信但构造公开的探测装置包括探测模块、基矢选择模块、
探测器选择模块和数据处理模块；
探测模块，用于根据基矢选择模块与
探测器选择模块给出的指令对输入的信号光利用探测器进行相应的测量，并将测量响应情况反应给数据处理模块；
基矢选择模块，用于随机选择成码基矢和监测基矢中的一个基矢应用于本轮需要测量的信号光，并将随机选择结果发送给探测模块与
探测器选择模块；
数据处理模块，用于根据探测模块和
探测器选择模块传输来的所有信息，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
7.根据权利要求6所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：所述不可信的随机性光源包括光源模块，所述光源模块用于制备并发送不可信信号光；所述信道包括传输模块，用于将不可信信号光传输到可信但构造公开的探测装置。
8.根据权利要求5所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：所述不可信的随机性光源包括第一激光器和第一强度调制器，所述第一激光器发出的光通过第一强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光；
所述信道包括保偏光纤慢轴，所述保偏光纤慢轴将高消光比的脉冲光传输到可信但构造公开的探测装置；
所述可信但构造公开的探测装置包括第一环形器、第一保偏偏振分束器、45°耦合的保偏偏振分束器、第一探测器、第二探测器、第一相位调制器、第一延长线和第一控制处理器；所述第一环形器的一端口输入高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光透过第一保偏偏振分束器进入45°耦合的保偏偏振分束器，脉冲光经过45°耦合后根据偏振分成两束，一束先经过第一延长线再进入第一相位调制器，另一束经过第一相位调制器后再进入第一延长线，最后同时回到45°耦合的保偏偏振分束器；第一相位调制器根据第一控制处理器提供的信号对脉冲光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；脉冲光回到45°耦合的保偏偏振分束器合并后再进入第一保偏偏振分束器，根据第一保偏偏振分束器的偏振分成两束，一束进入第二探测器，另一束进入第一环形器，第一环形器将进入第一环形器的光送入第一探测器；第一探测器和第二探测器进行探测并将结果传输给第一控制处理器，第一控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
9.根据权利要求5所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：所述不可信的随机性光源包括第二激光器、第二强度调制器和45°旋转器，所述第二激光器发出的光通过第二强度调制器斩波形成高消光比的脉冲光，然后高消光比的脉冲光被45°旋转器进行旋转形成信号光；
所述可信但构造公开的探测装置包括第二环形器、第二保偏偏振分束器、第三保偏偏振分束器、第三探测器、第四探测器、第二相位调制器、第二延长线和第二控制处理器；所述第二环形器的一端口输入信号光，然后信号光经过第二保偏偏振分束器，根据偏振分成两束，一束先经过第二延长线再进入第二相位调制器，另一束经过第二相位调制器后再进入第二延长线，最后同时回到第二保偏偏振分束器；第二相位调制器根据第二控制处理器提供的信号对光进行相位调整，以实现对所选基矢的测量，以及控制监测基矢本征态
态的光进入所选探测器；回到第二保偏偏振分束器的光合并后进入第二环形器，第二环形器将该束光送入第三保偏偏振分束器，第三保偏偏振分束器根据偏振分成两束，一束进入第三探测器，另一束进入第四探测器；第三探测器和第四探测器进行探测并将结果传输给第二控制处理器，第二控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
10.根据权利要求5所述的一种抵御强光致盲的源无关量子随机数发生系统，其特征在于：所述不可信的随机性光源包括第三激光器和第三强度调制器，所述第三激光器发出的光通过第三强度调制器斩波形成时间型脉冲光，即4个时间窗组成的一轮发送中，仅在一个时间窗有脉冲；
所述可信但构造公开的探测装置包括第一至第七分束器、第五至第九探测器、第三至第五延长线和第三控制处理器；其中第三延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时2T，第四延长线和第五延长线相对具有相同前端分束器和后端分束器的光纤能够延时T；T是指相邻时间窗间隔；时间型脉冲光经过第一分束器，一部分光分束向第五探测器，用于探测到底在哪个时间窗有响应，即监测基矢测量；一部分光透过第一分束器进入第二分束器，以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时2T，然后两束光在第三分束器处干涉并分别向第四分束器和第六分束器，第四分束器、第五分束器、第六探测器和第七探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；第六分束器、第七分束器、第八探测器和第九探测器作为一个整体，其作用是将入射的光以50：50的概率分成两束光，一束光比另一束光延时T，再干涉两束光然后被探测器测量；最终所有测量结果都被第三控制处理器收集，第三控制处理器根据自己提供的基矢选择和探测器选择以及探测器响应结果，将监测基矢的测量结果用于参数估计，将成码基矢的测量结果用于生成原始随机数串；最终将得到的参数与随机数串依据熵不确定性关系方法转变成安全的随机数串。
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