CN114756204A - 一种基于探测后作差的量子随机数产生方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于探测后作差的量子随机数产生方法及系统，其采用两个脉冲激光器进行干涉代替了连续激光器的自干涉，保证了相邻的探测数据之间没有关联性，使采样间隔不再成为限制随机数产生速率的因素，产生随机数的速率得到极大提升；而且使用探测后作差的方式，消除了探测数据概率分布的偏置；同时还采用了实时测量光强的方法，消除了光强波动对随机数带来的影响，简化了后处理过程；此外，本发明根据概率分布的不同性质，将电噪声与相位噪声进行分离，使数据后处理过程中能够得到更高的最小熵，从而提取更多的随机数资源。
Description
技术领域
本发明涉及量子随机数领域，具体涉及一种基于探测后作差的量子随机数产生方法及系统。
背景技术
随机数在许多领域中都发挥着重要作用。在计算机模拟中，随机数是一些模拟方法的必要条件，如蒙特卡罗模拟法等；在统计分析中，随机数可以用来抽取样本、分配群组；在密码学中，随机数是建立安全通信信道的关键要素。然而，要得到高质量的随机数并证明其随机性并不是一件容易的事。传统的基于算法的伪随机数发生器或基于复杂系统混沌行为的物理随机数发生器均具有本质上的确定性，所以其生成随机数的过程有被控制或窃听的可能。另一方面，量子力学的概率性质表明，真正的随机数可以从基本的量子过程生成。
量子随机数发生器主要由随机源模块和数据处理模块两部分组成。基于不同的产生方案，选用的随机源也有所不同。2010年，文献“High-speed quantum random numbergeneration by measuring phase noise of a single-mode laser，Opt. Lett. 35(3)，312”演示了一种基于激光相位波动的量子随机数发生器。与之前基于单光子探测器的方案相比，激光相位波动方案允许使用常规的高速光电探测器（PD）代替单光子探测器（SPD）对随机变量进行测量，从而摆脱SPD有限的计数率对随机数产生速率的严重限制，使量子随机数发生器产生随机数的速率得到极大提高，达到Gbps的量级。
当前已有专利“一种基于激光器相位涨落的量子随机数生成器”（CN 108762723A）。该专利使用一个半导体激光器作为随机源，通过干涉仪进行激光自干涉得到相位波动并进行测量与后处理。该专利还提供了多种不同的干涉仪方案以供选择。但是，该专利存在下述缺陷：第一，专利中采用的连续激光自干涉法会导致相近的测量结果存在相位上的关联。因此，原始数据相邻项的自相干系数会较大，将无法满足随机性测试的要求。只有在干涉仪两臂光程差足够长，且采样率足够低时，才可以认为原始数据近似满足统计意义上的随机性分布。第二，原始数据的产生源自于相位波动与强度波动的共同作用，该专利没有考虑强度波动带来的影响。虽然专利中提到可以在数据后处理中消除偏置项，但并没有给出具体方案，并且这无疑是十分复杂且困难的一件事。
当前已有专利“一种量子随机数发生装置及方法”（CN 111562903 A）。该专利使用脉冲激光器作为随机源，由于在理想状态下激光器前后两个脉冲无关联，因此原始数据的随机性不再受到采样间隔的限制。但该专利仍存在一些有待改进之处：第一，该专利采用脉冲信号错位干涉的方式，使第n个原始数据由k光脉冲信号和k+n光脉冲信号进行干涉得到，因此第k和第k+n个原始数据中包含有相同的脉冲成分，仍然存在关联性。第二，该专利在系统中使用了光强反馈系统来维持光强的大致稳定，虽然减小了强度波动对原始数据的影响，但是未完全消除，同时系统的复杂度增加了，不利于集成化的实现。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于探测后作差的量子随机数产生方法及系统，解决了目前的量子随机数产生过程中相邻两次测量之间仍然存在关联性的问题，还解决了光强波动对随机数带来影响的问题。本发明采用两个频率相同的激光器进行干涉，在数据后处理的过程中，根据概率分布的不同性质，将电噪声与相位噪声进行分离，从而能够得到更高的最小熵，最终得到更多的随机数资源。
技术方案：本发明一种基于探测后作差的量子随机数产生方法，包括以下步骤：
（1）制备脉冲：使用两个脉冲激光器分别制备一路具有相位涨落的光脉冲，通过温度调节使两路光脉冲的频率相同；制备完成后，将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器，第一分束器的一输出端进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲；两个第一分束器输出的光脉冲分别为：
，
，其中
为拍频，
为虚数单位，
为初始相位，
，
分别为两路光脉冲的光强，两个第一分束器的一输出端进行光强测量得到实时的
，
的值；
（2）干涉：调节两路光脉冲的延迟时间，使两个第一分束器输出的光脉冲能够同时到达第二分束器实现干涉；
（3）探测：两路光脉冲实现干涉后，使用探测装置进行探测，干涉后的两路光脉冲可以表示为：
再将光信号转换为模拟电信号，可以表示为：
（4）电噪声分离：重复上述步骤（1）至步骤（3）N次，得到N组探测数据，然后对电噪声进行分离；电噪声进行分离指使用Matlab软件作出探测数据的概率密度分布曲线，通过lsqcurvefit函数对曲线进行拟合，将探测数据的概率分布分解为一个标准的反正弦分布曲线与一个高斯分布曲线；其中，N为大于等于2的正整数；
（5）随机数量化与提取：首先量化标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性，标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性与其概率分布有关，通过最小熵来量化，最小熵表示为：
其中, 
为将标准的反正弦分布曲线以电压为标准均分为多个区间后，标准的反正弦分布曲线对应的探测数据分布在每一个区间中的概率；
之后，使用Toeplitz-hash算法进行随机数提取，Toeplitz矩阵的行列数之比由最小熵的值确定；
（6）随机数检验：通过标准的随机性测试，检测随机数的随机性，证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
进一步的，所述步骤（4）中，标准的反正弦分布曲线，写作：
其中，标准的反正弦分布曲线的边界值即为
的取值。
进一步的，所述步骤（1）中，制备完成后，先对两路光脉冲进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内，再将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器。
本发明还包括一种基于探测后作差的量子随机数产生方法的系统，该系统包括随机源模块和数据处理模块；
所述随机源模块包括两组制备发送单元，每组制备发送单元均用于制备与发送一路频率和延迟时间均可控的光脉冲，且光脉冲具有高消光比；
数据处理模块包括探测单元、转换单元与数据后处理单元；探测单元用于对两路光脉冲进行光强测量，并对两路光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲进行探测；转换单元用于将干涉后的光信号转换为模拟电信号，并对模拟电信号作差，得到探测数据；数据后处理单元用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
进一步的，所述制备发送单元制备的光脉冲还要进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内。
进一步的，所述制备发送单元包括第一脉冲激光器、第一光衰减器和第一温控器；所述第一脉冲激光器与第一光衰减器连接，第一脉冲激光器还与第一温控器连接；
所述第一脉冲激光器用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲，并将光脉冲发送至第一光衰减器；
所述第一温控器用于通过调节第一脉冲激光器的温度来改变光频率，使两路光脉冲光频率稳定且相同；
所述第一光衰减器用于对光脉冲的光强进行衰减，使两路光脉冲的光强调至光强差在5%以内。
进一步的，所述探测单元包括第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一高速光电探测器和第二高速光电探测器；所述第三分束器与相对应的第一光衰减器连接，第三分束器的一输出端与第一高速光电探测器连接，另一输出端与第五分束器的一输入端连接；所述第四分束器与相对应的第一光衰减器连接，第四分束器的一输出端与第二高速光电探测器连接，另一输出端与第五分束器的另一输入端连接；
所述第三分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第三分束器的一输出端采用第一高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器；
所述第四分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第四分束器的一输出端采用第二高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器；
所述第一高速光电探测器和第二高速光电探测器均用于光强实时测量；
所述第五分束器用于将第三分束器和第四分束器输出的光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述转换单元包括第三高速光电探测器、第四高速光电探测器、第一差分放大器和第一示波器；所述第三高速光电探测器的输入端和第四高速光电探测器的输入端分别与第五分束器的两输出端一一对应连接，第三高速光电探测器的输出端和第四高速光电探测器的输出端与第一差分放大器连接，第一差分放大器与第一示波器连接；
所述第三高速光电探测器和第四高速光电探测器用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第一差分放大器；
所述第一差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第一示波器；
所述第一示波器用于读取第一差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述数据后处理单元为计算机。
进一步的，所述探测单元包括第六分束器至第十一分束器、第五高速光电探测器和第六高速光电探测器；所述第六分束器与相对应的第一光衰减器连接，第六分束器的一输出端与第五高速光电探测器连接，另一输出端与第七分束器的输入端连接；第七分束器的一输出端与第八分束器的一输入端连接，第七分束器的另一输出端与第九分束器的一输入端连接；第十分束器与相对应的第一光衰减器连接，第十分束器的一输出端与第六高速光电探测器连接，另一输出端与第十一分束器的输入端连接；第十一分束器的一输出端与第八分束器的另一输入端连接，第十一分束器的另一输出端与第九分束器的另一输入端连接；
所述第六分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第六分束器的一输出端采用第五高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第七分束器；
所述第十分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第十分束器的一输出端采用第六高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第十一分束器；
所述第五高速光电探测器和第六高速光电探测器均用于光强实时测量；
所述第七分束器和第十一分束器用于对光脉冲进行分束；
所述第八分束器和第九分束器均用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述转换单元包括第七至第十高速光电探测器、第二差分放大器、第二示波器、第三差分放大器和第三示波器；所述第七高速光电探测器的输入端和第八高速光电探测器的输入端分别与第八分束器的两输出端一一对应连接，第七高速光电探测器的输出端和第八高速光电探测器的输出端与第二差分放大器连接，第二差分放大器与第二示波器连接；所述第九高速光电探测器的输入端和第十高速光电探测器的输入端分别与第九分束器的两输出端一一对应连接，第九高速光电探测器的输出端和第十高速光电探测器的输出端与第三差分放大器连接，第三差分放大器与第三示波器连接；
所述第七至第十高速光电探测器用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给对应的差分放大器；
所述第二差分放大器和第三差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给对应的示波器；
所述第二示波器和第三示波器用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述数据后处理单元为计算机。
进一步的，
所述随机源模块包括第一分布式反馈激光器、第二分布式反馈激光器、射频发生器、温控元件；所述射频发生器分别与第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器连接，温控元件分别与第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器连接；
所述射频发生器用于驱动第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器工作；
所述第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲；
所述温控元件用于通过调节第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器的温度来改变光频率，使第一分布式反馈激光器产生的光脉冲与第二分布式反馈激光器产生的光脉冲频率稳定且相同。
进一步的，所述数据处理模块包括第一至第三多模干涉耦合器，第一至第四光电二极管、第四差分放大器、第四示波器和计算机；所述第一多模干涉耦合器与相对应的第一分布式反馈激光器连接，第一多模干涉耦合器的一输出端与第一光电二极管连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器的一输入端连接；第二多模干涉耦合器与相对应的第二分布式反馈激光器连接，第二多模干涉耦合器的一输出端与第二光电二极管连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器的另一输入端连接；
所述第三光电二极管的输入端和第四光电二极管的输入端分别与第三多模干涉耦合器的两输出端一一对应连接，第三光电二极管的输出端和第四光电二极管的输出端与第四差分放大器连接，第四差分放大器与第四示波器连接，第四示波器与计算机连接；
所述第一多模干涉耦合器用于将相对应的光脉冲进行分束，第一多模干涉耦合器的一输出端采用第一光电二极管进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器；
所述第二多模干涉耦合器用于将相对应的光脉冲进行分束，第二多模干涉耦合器的一输出端采用第二光电二极管进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器；
所述第一光电二极管和第二光电二极管均用于光强实时测量；
所述第三多模干涉耦合器用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述第三光电二极管和第四光电二极管用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第四差分放大器；
所述第四差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第四示波器；
所述第四示波器用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述计算机用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
本发明的有益效果：
（1）本发明使用两个脉冲激光器进行干涉代替了连续激光器的自干涉，保证了相邻的探测数据之间没有关联性，使采样间隔不再成为限制随机数产生速率的因素，系统产生随机数的速率得到极大提升；
（2）本发明不再需要使用干涉仪，因此不必考虑干涉仪两臂光程差对探测数据的影响，使系统的构造得到了简化，有利于系统集成化的实现；
（3）本发明使用探测后作差的方式，消除了探测数据概率分布的偏置；同时还采用了实时测量光强的方法，消除了光强波动对随机数带来的影响，简化了后处理过程；
（4）本发明根据概率分布的不同性质，将电噪声与相位噪声进行分离，使数据后处理过程中能够得到更高的最小熵，从而提取更多的随机数资源。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为实施例1的结构示意图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为实施例3的结构示意图。
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：
本发明提出了一种基于探测后作差的量子随机数产生方法，包括以下步骤：
（1）制备脉冲：使用两个脉冲激光器分别制备一路具有相位涨落的光脉冲，通过温度调节使两路光脉冲的频率相同；制备完成后，将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器，一路光脉冲对应一个第一分束器，第一分束器的一输出端进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲；两个第一分束器输出的光脉冲分别为：
，
，其中
为拍频，
为虚数单位，
为初始相位，
，
分别为两路光脉冲的光强，两个第一分束器的一输出端进行光强测量得到实时的
，
的值；
其中，制备完成后，还可以先对两路光脉冲进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内，再将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器；这样得到两路光脉冲效果更好；
（2）干涉：调节两路光脉冲的延迟时间，使两个第一分束器输出的光脉冲能够同时到达第二分束器实现干涉；
（3）探测：两路光脉冲实现干涉后，使用探测装置进行探测，探测装置为现有的高速光电探测器，干涉后的两路光脉冲可以表示为：
再将光信号转换为模拟电信号，可以表示为：
（4）电噪声分离：重复上述步骤（1）至步骤（3）N次，得到N组探测数据，然后对电噪声进行分离；电噪声进行分离指使用Matlab软件作出探测数据的概率密度分布曲线，通过lsqcurvefit函数对曲线进行拟合，将探测数据的概率分布分解为一个标准的反正弦分布曲线与一个高斯分布曲线；其中，N为大于等于2的正整数；
标准的反正弦分布曲线，写作：
其中，标准的反正弦分布曲线的边界值即为
的取值；
（5）随机数量化与提取：首先量化标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性，标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性与其概率分布有关，通过最小熵来量化，最小熵表示为：
其中, 
为将标准的反正弦分布曲线以电压为标准均分为多个区间后（一般为256个），标准的反正弦分布曲线对应的探测数据分布在每一个区间中的概率；
之后，使用Toeplitz-hash算法进行随机数提取，Toeplitz矩阵的行列数之比由最小熵的值确定；
（6）随机数检验：通过标准的随机性测试，检测随机数的随机性，证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
如图1所示，本发明还包括一种基于探测后作差的量子随机数产生方法的系统，该系统包括随机源模块1和数据处理模块2；
随机源模块1包括两组制备发送单元11，每组制备发送单元11均用于制备与发送一路频率和延迟时间均可控的光脉冲，且光脉冲具有高消光比；其中，制备发送单元制备11的光脉冲还可以进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内。
数据处理模块2包括探测单元21、转换单元22与数据后处理单元23；探测单元21用于对两路光脉冲进行光强测量，并对两路光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲进行探测；转换单元22用于将干涉后的光信号转换为模拟电信号，并对模拟电信号作差，得到探测数据；数据后处理单元23用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的，数据后处理单元23可以为高性能计算机。
实施例1
如图2所示，本发明包括一种基于探测后作差的量子随机数产生方法的系统，用于实现量子随机数发生过程，该系统包括随机源模块和数据处理模块；
由于自发辐射是量子相位波动的来源，应调节工作电压使设备的粒子数反转处于接近阈值状态，此时自发辐射产生的光子在总光子数中占比达到峰值，相位噪声最明显；根据上述要求，随机源模块包括两组制备发送单元，制备发送单元包括第一脉冲激光器1101、第一光衰减器1102和第一温控器1103；第一脉冲激光器1101与第一光衰减器1102连接，第一脉冲激光器1101还与第一温控器1103连接；
第一脉冲激光器1101用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲，并将光脉冲发送至第一光衰减器1102；
第一温控器1103用于通过调节第一脉冲激光器1101的温度来改变光频率，使两路光脉冲光频率稳定且相同；
第一光衰减器1102用于对光脉冲的光强进行衰减，使两路光脉冲的光强调至光强差在5%以内。
数据处理模块包括探测单元、转换单元与数据后处理单元；探测单元包括第三分束器2101、第四分束器2102、第五分束器2103、第一高速光电探测器2104和第二高速光电探测器2105；第三分束器2101与相对应的第一光衰减器连接，第三分束器2101的一输出端与第一高速光电探测器2104连接，另一输出端与第五分束器2103的一输入端连接；第四分束器2102与相对应的第一光衰减器连接，第四分束器2102的一输出端与第二高速光电探测器2105连接，另一输出端与第五分束器2103的另一输入端连接；
第三分束器2101用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第三分束器2101的一输出端采用第一高速光电探测器2104进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器2103；
第四分束器2102用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第四分束器2102的一输出端采用第二高速光电探测器2105进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器2103；
第一高速光电探测器2104和第二高速光电探测器2105均用于光强实时测量；
第五分束器2103用于将第三分束器2101和第四分束器2102输出的光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
转换单元包括第三高速光电探测器2201、第四高速光电探测器2202、第一差分放大器2203和第一示波器2204；第三高速光电探测器2201的输入端和第四高速光电探测器2202的输入端分别与第五分束器2103的两输出端一一对应连接，第三高速光电探测器2201的输出端和第四高速光电探测器2202的输出端与第一差分放大器2203连接，第一差分放大器2203与第一示波器2204连接；
第三高速光电探测器2201和第四高速光电探测器2202用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第一差分放大器2203；
第一差分放大器2203用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第一示波器2204；
第一示波器2204用于读取第一差分放大器2203产生的电信号，得到探测数据；
数据后处理单元为计算机（图2中未视出）。
综上，本实施例使用常见的光学仪器，装置结构简单，可操作性强；使用两个脉冲激光器进行干涉，避免了连续激光器自干涉带来的前后脉冲关联性，使随机数的随机性得到了保证；使用探测后作差的方式和实时检测光强的方法，消除了强度噪声对随机数带来的影响；根据概率分布的不同性质，将电噪声与相位噪声进行分离，使最小熵得到了提高，从而提取更多的随机数资源。
实施例2
如图3所示，本实施例的制备发送单元与实施例1的相同，故不再描述，只将不同之处进行描述：
数据处理模块包括探测单元、转换单元与数据后处理单元；探测单元包括第六分束器2106至第十一分束器2111、第五高速光电探测器2112和第六高速光电探测器2113；第六分束器2106与相对应的第一光衰减器连接，第六分束器2106的一输出端与第五高速光电探测器2112连接，另一输出端与第七分束器2107的输入端连接；第七分束器2107的一输出端与第八分束器2108的一输入端连接，第七分束器2107的另一输出端与第九分束器2109的一输入端连接；第十分束器2110与相对应的第一光衰减器连接，第十分束器2110的一输出端与第六高速光电探测器2113连接，另一输出端与第十一分束器2111的输入端连接；第十一分束器2111的一输出端与第八分束器2108的另一输入端连接，第十一分束器2111的另一输出端与第九分束器2109的另一输入端连接；
第六分束器2106用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第六分束器2106的一输出端采用第五高速光电探测器2112进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第七分束器2107；
第十分束器2110用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第十分束器2110的一输出端采用第六高速光电探测器2113进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第十一分束器2111；
第五高速光电探测器2112和第六高速光电探测器2113均用于光强实时测量；
第七分束器2107和第十一分束器2111用于对光脉冲进行分束；
第八分束器2108和第九分束器2109均用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
转换单元包括第七高速光电探测器2205至第十高速光电探测器2208、第二差分放大器2209、第二示波器2210、第三差分放大器2211和第三示波器2212；第七高速光电探测器2205的输入端和第八高速光电探测器2206的输入端分别与第八分束器2108的两输出端一一对应连接，第七高速光电探测器2205的输出端和第八高速光电探测器2206的输出端与第二差分放大器2209连接，第二差分放大器2209与第二示波器2210连接；第九高速光电探测器2207的输入端和第十高速光电探测器2208的输入端分别与第九分束器2109的两输出端一一对应连接，第九高速光电探测器2207的输出端和第十高速光电探测器2208的输出端与第三差分放大器2211连接，第三差分放大器2211与第三示波器2212连接；
第七高速光电探测器2205至第十高速光电探测器2208用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给对应的差分放大器；
第二差分放大器2209和第三差分放大器2211用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给对应的示波器；
第二示波器2210和第三示波器2212用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
数据后处理单元为计算机（图3中未视出）。
本实施例采用两组探测后作差进行测量，使用相同的随机源可以获得两倍的的随机数产生率，使随机数产生效率和成本得到降低。
实施例3
如图4所示，本发明包括一种基于探测后作差的量子随机数产生方法的系统，该系统包括随机源模块和数据处理模块；
随机源模块包括第一分布式反馈激光器2401、第二分布式反馈激光器2402、射频发生器2403、温控元件2404；射频发生器2403分别与第一分布式反馈激光器2401和第二分布式反馈激光器2402连接，温控元件2404分别与第一分布式反馈激光器2401和第二分布式反馈激光器2402连接；
射频发生器2403用于驱动第一分布式反馈激光器2401和第二分布式反馈激光器2402工作；两个激光器均包含有偏置电流驱动器，使用射频发生器2403驱动其工作；
第一分布式反馈激光器2401和第二分布式反馈激光器2402用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲；
温控元件2404用于通过调节第一分布式反馈激光器2401和第二分布式反馈激光器2402的温度来改变光频率，使第一分布式反馈激光器2401产生的光脉冲与第二分布式反馈激光器2402产生的光脉冲频率稳定且相同。
数据处理模块包括第一多模干涉耦合器2501至第三多模干涉耦合器2503，第一光电二极管2504至第四光电二极管2507、第四差分放大器2508、第四示波器2509和计算机；第一多模干涉耦合器2501与相对应的第一分布式反馈激光器2401连接，第一多模干涉耦合器2501的一输出端与第一光电二极管2504连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器2503的一输入端连接；第二多模干涉耦合器2502与相对应的第二分布式反馈激光器2402连接，第二多模干涉耦合器2502的一输出端与第二光电二极管2505连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器2503的另一输入端连接；
第三光电二极管2506的输入端和第四光电二极管2507的输入端分别与第三多模干涉耦合器2503的两输出端一一对应连接，第三光电二极管2506的输出端和第四光电二极管2507的输出端与第四差分放大器2508连接，第四差分放大器2508与第四示波器2509连接，第四示波器2509与计算机连接，计算机在图4中未视出；
第一多模干涉耦合器2501用于将相对应的光脉冲进行分束，第一多模干涉耦合器2501的一输出端采用第一光电二极管2504进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器2503；
第二多模干涉耦合器2502用于将相对应的光脉冲进行分束，第二多模干涉耦合器2502的一输出端采用第二光电二极管2505进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器2503；
第一光电二极管2504和第二光电二极管2505均用于光强实时测量；
第三多模干涉耦合器2503用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
第三光电二极管2506和第四光电二极管2507用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第四差分放大器2508；
第四差分放大器2508用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第四示波器2509；
第四示波器2509用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
计算机用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
Claims (10)
1.一种基于探测后作差的量子随机数产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备脉冲：使用两个脉冲激光器分别制备一路具有相位涨落的光脉冲，通过温度调节使两路光脉冲的频率相同；制备完成后，将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器，第一分束器的一输出端进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲；两个第一分束器输出的光脉冲分别为：
，
，其中
为拍频，
为虚数单位，
为初始相位，
，
分别为两路光脉冲的光强，两个第一分束器的一输出端进行光强测量得到实时的
，
的值；
（2）干涉：调节两路光脉冲的延迟时间，使两个第一分束器输出的光脉冲能够同时到达第二分束器实现干涉；
（3）探测：两路光脉冲实现干涉后，使用探测装置进行探测，干涉后的两路光脉冲可以表示为：
再将光信号转换为模拟电信号，可以表示为：
（4）电噪声分离：重复上述步骤（1）至步骤（3）N次，得到N组探测数据，然后对电噪声进行分离；电噪声进行分离指使用Matlab软件作出探测数据的概率密度分布曲线，通过lsqcurvefit函数对曲线进行拟合，将探测数据的概率分布分解为一个标准的反正弦分布曲线与一个高斯分布曲线；其中，N为大于等于2的正整数；
（5）随机数量化与提取：首先量化标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性，标准的反正弦分布曲线对应的探测数据的随机性与其概率分布有关，通过最小熵来量化，最小熵表示为：
其中,
为将标准的反正弦分布曲线以电压为标准均分为多个区间后，标准的反正弦分布曲线对应的探测数据分布在每一个区间中的概率；
之后，使用Toeplitz-hash算法进行随机数提取，Toeplitz矩阵的行列数之比由最小熵的值确定；
（6）随机数检验：通过标准的随机性测试，检测随机数的随机性，证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
2.根据权利要求1所述的一种基于探测后作差的量子随机数产生方法，其特征在于：所述步骤（4）中，标准的反正弦分布曲线，写作：
其中，标准的反正弦分布曲线的边界值即为
的取值。
3.根据权利要求1所述的一种基于探测后作差的量子随机数产生方法，其特征在于：所述步骤（1）中，制备完成后，先对两路光脉冲进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内，再将两路光脉冲分别发送至相对应的第一分束器。
4.一种如权利要求1至3中任一项基于探测后作差的量子随机数产生方法的系统，其特征在于：该系统包括随机源模块和数据处理模块；
所述随机源模块包括两组制备发送单元，每组制备发送单元均用于制备与发送一路频率和延迟时间均可控的光脉冲，且光脉冲具有高消光比；
数据处理模块包括探测单元、转换单元与数据后处理单元；探测单元用于对两路光脉冲进行光强测量，并对两路光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲进行探测；转换单元用于将干涉后的光信号转换为模拟电信号，并对模拟电信号作差，得到探测数据；数据后处理单元用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述制备发送单元制备的光脉冲还要进行衰减，直至衰减之后的两路光脉冲光强差在5%以内。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述制备发送单元包括第一脉冲激光器、第一光衰减器和第一温控器；所述第一脉冲激光器与第一光衰减器连接，第一脉冲激光器还与第一温控器连接；
所述第一脉冲激光器用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲，并将光脉冲发送至第一光衰减器；
所述第一温控器用于通过调节第一脉冲激光器的温度来改变光频率，使两路光脉冲光频率稳定且相同；
所述第一光衰减器用于对光脉冲的光强进行衰减，使两路光脉冲的光强调至光强差在5%以内。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述探测单元包括第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一高速光电探测器和第二高速光电探测器；所述第三分束器与相对应的第一光衰减器连接，第三分束器的一输出端与第一高速光电探测器连接，另一输出端与第五分束器的一输入端连接；所述第四分束器与相对应的第一光衰减器连接，第四分束器的一输出端与第二高速光电探测器连接，另一输出端与第五分束器的另一输入端连接；
所述第三分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第三分束器的一输出端采用第一高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器；
所述第四分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第四分束器的一输出端采用第二高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第五分束器；
所述第一高速光电探测器和第二高速光电探测器均用于光强实时测量；
所述第五分束器用于将第三分束器和第四分束器输出的光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述转换单元包括第三高速光电探测器、第四高速光电探测器、第一差分放大器和第一示波器；所述第三高速光电探测器的输入端和第四高速光电探测器的输入端分别与第五分束器的两输出端一一对应连接，第三高速光电探测器的输出端和第四高速光电探测器的输出端与第一差分放大器连接，第一差分放大器与第一示波器连接；
所述第三高速光电探测器和第四高速光电探测器用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第一差分放大器；
所述第一差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第一示波器；
所述第一示波器用于读取第一差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述数据后处理单元为计算机。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述探测单元包括第六分束器至第十一分束器、第五高速光电探测器和第六高速光电探测器；所述第六分束器与相对应的第一光衰减器连接，第六分束器的一输出端与第五高速光电探测器连接，另一输出端与第七分束器的输入端连接；第七分束器的一输出端与第八分束器的一输入端连接，第七分束器的另一输出端与第九分束器的一输入端连接；第十分束器与相对应的第一光衰减器连接，第十分束器的一输出端与第六高速光电探测器连接，另一输出端与第十一分束器的输入端连接；第十一分束器的一输出端与第八分束器的另一输入端连接，第十一分束器的另一输出端与第九分束器的另一输入端连接；
所述第六分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第六分束器的一输出端采用第五高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第七分束器；
所述第十分束器用于将相对应的经过第一光衰减器的光脉冲进行分束，第十分束器的一输出端采用第六高速光电探测器进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第十一分束器；
所述第五高速光电探测器和第六高速光电探测器均用于光强实时测量；
所述第七分束器和第十一分束器用于对光脉冲进行分束；
所述第八分束器和第九分束器均用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述转换单元包括第七至第十高速光电探测器、第二差分放大器、第二示波器、第三差分放大器和第三示波器；所述第七高速光电探测器的输入端和第八高速光电探测器的输入端分别与第八分束器的两输出端一一对应连接，第七高速光电探测器的输出端和第八高速光电探测器的输出端与第二差分放大器连接，第二差分放大器与第二示波器连接；所述第九高速光电探测器的输入端和第十高速光电探测器的输入端分别与第九分束器的两输出端一一对应连接，第九高速光电探测器的输出端和第十高速光电探测器的输出端与第三差分放大器连接，第三差分放大器与第三示波器连接；
所述第七至第十高速光电探测器用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给对应的差分放大器；
所述第二差分放大器和第三差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给对应的示波器；
所述第二示波器和第三示波器用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述数据后处理单元为计算机。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：
所述随机源模块包括第一分布式反馈激光器、第二分布式反馈激光器、射频发生器、温控元件；所述射频发生器分别与第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器连接，温控元件分别与第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器连接；
所述射频发生器用于驱动第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器工作；
所述第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器用于通过加稳定的电压发送高消光比的光脉冲；
所述温控元件用于通过调节第一分布式反馈激光器和第二分布式反馈激光器的温度来改变光频率，使第一分布式反馈激光器产生的光脉冲与第二分布式反馈激光器产生的光脉冲频率稳定且相同。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述数据处理模块包括第一至第三多模干涉耦合器，第一至第四光电二极管、第四差分放大器、第四示波器和计算机；所述第一多模干涉耦合器与相对应的第一分布式反馈激光器连接，第一多模干涉耦合器的一输出端与第一光电二极管连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器的一输入端连接；第二多模干涉耦合器与相对应的第二分布式反馈激光器连接，第二多模干涉耦合器的一输出端与第二光电二极管连接，另一输出端与第三多模干涉耦合器的另一输入端连接；
所述第三光电二极管的输入端和第四光电二极管的输入端分别与第三多模干涉耦合器的两输出端一一对应连接，第三光电二极管的输出端和第四光电二极管的输出端与第四差分放大器连接，第四差分放大器与第四示波器连接，第四示波器与计算机连接；
所述第一多模干涉耦合器用于将相对应的光脉冲进行分束，第一多模干涉耦合器的一输出端采用第一光电二极管进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器；
所述第二多模干涉耦合器用于将相对应的光脉冲进行分束，第二多模干涉耦合器的一输出端采用第二光电二极管进行光强实时测量，另一输出端输出光脉冲至第三多模干涉耦合器；
所述第一光电二极管和第二光电二极管均用于光强实时测量；
所述第三多模干涉耦合器用于对光脉冲进行干涉，将干涉后的光脉冲通过其输出端进行输出；
所述第三光电二极管和第四光电二极管用于将光信号线性转化为模拟电信号，并将模拟电信号输出给第四差分放大器；
所述第四差分放大器用于对模拟电信号作差，并将得到的电信号输出给第四示波器；
所述第四示波器用于读取差分放大器产生的电信号，得到探测数据；
所述计算机用于对探测数据进行电噪声分离，然后对分离之后的数据进行随机数量化与提取，再进行随机数检验，最终证明产生的随机数在统计意义上是随机的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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