CN114780058A - 一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片 - Google Patents
一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，属于量子安全通信技术领域，包括光源、第一分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一减法器、积分器、第二减法器及数据采集模块，光源与第一分束器相连，第一分束器分别与两路光电探测器相连；两路光电探测器的输出端分别与第一减法器相连；第一减法器分别连接积分器和第二减法器；积分器的输出端口连接第二减法器；第二减法器的输出端口连接数据采集模块。与现有技术相比，本发明减小了随机数发生器的整体尺寸，大大提高了芯片的集成度；另外，本发明消除了分束器分束不均衡以及光电探测器响应效率不一致引起的不平衡问题，提高了随机数发生器的随机性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及量子安全通信技术领域，特别涉及一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片。
背景技术
在现代社会中，随机数被广泛使用在仿真模拟、密码学等诸多领域。依照生成原理不同，随机数可以分为伪随机数和真随机数两大类。由于伪随机数一般都是通过算法产生，随着量子计算的威胁日益紧迫，伪随机数的将变得可被预测，因此其安全性无法保证。量子随机数发生器（QRNG）是利用量子物理内禀特性生成物理真随机数的新型技术，如基于量子真空态噪声，激光自发辐射的量子相位噪声等量子光学原理实现的量子随机数发生器，其产生的随机数是完全无法预测的，因此具有真随机性，也是目前研究较多且较为成熟的量子随机数产生方案。目前，量子随机数发生器多采用分立光学元件搭建而成，体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产。因此，将光学器件集成是必然的发展趋势。
基于真空态量子噪声的随机数发生器方案简单，易于集成。但是，由于测量真空态量子噪声的实际器件存在非完美性，如分束器分束比不是严格的50：50，平衡探测器的两个探头的响应效率不同等问题，导致随机数的随机性质量降低，专利CN103793198A和CN108536424A均未解决此问题。针对上述问题，专利CN112346710A公开了一种集成芯片方案，通过在分束器两个输出端口各加一个可调光衰减器，同时根据两个探测器的光强来调节两臂光强，实现平衡探测，可以消除分束器分束比和探测器响应效率不平衡的问题。然而该方案需要额外增加可调光衰减器和主动调节模块，增大了系统的复杂度和芯片尺寸。文献Zheng Z, et al. Experimental implementation of bias-free quantum randomnumber generator based on vacuum fluctuation. arXiv:1904.09727, 2019则通过增加一个分束器和一个调相器减小上述问题的影响，但是同样具有较高的复杂度。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种集基于真空涨落的量子随机数发生器芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，包括集成光芯片和电子学处理模块，所述集成光芯片包括光源、第一分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，所述光源与第一分束器的一个输入端口相连，所述第一分束器的另一个输入端口空置，作为真空态输入端口，所述第一分束器的两个输出端口分别与第一光电探测器和第二光电探测器的输入端口相连；所述电子学处理模块包括第一减法器、积分器、第二减法器和数据采集模块，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端口分别与第一减法器的两个输入端口相连；所述第一减法器的输出端口分成两路，分别连接积分器的输入端口和第二减法器的一个输入端口；所述积分器的输出端口连接第二减法器的另一个输入端口；所述第二减法器的输出端口连接数据采集模块；所述第一减法器用于产生第一光电探测器和第二光电探测器的差分电流信号；所述积分器用于产生第一减法器输出电流信号的平均值；所述第二减法器用于产生所述平均值与差分电流信号的二次差分电流信号；所述数据采集模块用于对所述二次差分电流信号进行采样并输出随机序列。
优选地，所述电子学处理模块还包括放大器和后处理模块，所述放大器的输入端口、输出端口分别与第二减法器的输出端口、数据采集模块的输入端口相连；所述后处理模块与数据采集模块的输出端口相连；所述放大器用于放大第二减法器输出的弱电流信号；所述后处理模块用于执行数据的后处理算法。
优选地，所述集成光芯片还包括第二分束器和第三光电探测器，所述第二分束器的输入端口与光源相连；所述第二分束器的两个输出端口分别与第三光电探测器的输入端口和第一分束器的一个输入端口相连；所述第三光电探测器的输出端口连接数据采集模块。
优选地，所述光源为连续激光器，并且与第一分束器、第一光电探测器和第二光电探测器集成在同一衬底上。
优选地，所述第一分束器为由四端口3dB定向耦合器构成的光波导结构。
优选地，所述后处理算法为冯诺依曼纠偏算法：将所述数据采集模块采样得到的原始随机序列中相邻的2比特01作为0，10作为1，连续00和11舍去，得到提取后的随机比特串。
优选地，所述后处理算法为基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵算法：构造Toeplitz矩阵，将其与所述数据采集模块采样得到的原始随机序列相乘，得到提取后的随机比特串。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的一种用于量子随机数发生器的集成光学芯片，将光源、光电探测器以及分束器一体化集成并和电子学模块集成封装，可减小随机数发生器的整体尺寸，大大提高了芯片的集成度。另外，通过将两个光电探测器的差分电流与其平均值再次差分，可以消除分束器分束不均衡以及光电探测器响应效率不一致引起的不平衡问题，从而提高了随机数发生器的随机性和可靠性。
附图说明
图1为本发明基于真空涨落的量子随机数发生器芯片的结构原理框图；
图2为本发明基于真空涨落的量子随机数发生器芯片实施例一的原理框图；
图3为本发明基于真空涨落的量子随机数发生器芯片实施例二的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，包括集成光芯片1和电子学处理模块2，所述集成光芯片1包括光源1-1、第一分束器1-2、第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4，所述光源1-1与第一分束器1-2的一个输入端口相连，所述第一分束器1-2的另一个输入端口空置，作为真空态输入端口，所述第一分束器1-2的两个输出端口分别与第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的输入端口相连；所述电子学处理模块2包括第一减法器2-1、积分器2-2、第二减法器2-3和数据采集模块2-4，所述第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的输出端口分别与第一减法器2-1的两个输入端口相连；所述第一减法器2-1的输出端口分成两路，分别连接积分器2-2的输入端口和第二减法器2-3的一个输入端口；所述积分器2-2的输出端口连接第二减法器2-3的另一个输入端口；所述第二减法器2-3的输出端口连接数据采集模块2-4；所述第一减法器2-1用于产生第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的差分电流信号；所述积分器2-2用于产生第一减法器2-1输出电流信号的平均值；所述第二减法器2-3用于产生所述平均值与差分电流信号的二次差分电流信号；所述数据采集模块2-4用于对所述二次差分电流信号进行采样并输出随机序列。所述光源1-1为连续激光器，并且与第一分束器1-2、第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4集成在同一衬底上。所述第一分束器1-2为由四端口3dB定向耦合器构成的光波导结构。
具体工作原理如下：
所述光源1-1产生电场强度为
的连续光，其与真空态分别进入第一分束器1-2
的两个输入端口，二者的干涉结果分别从第一分束器1-2的两个输出端口出射，电场强度分
别为
和
，可写为
其中，
和
为第一分束器1-2的透过率和反射率，
为真空态的电场强度，且
为振幅分量，
为相位分量。干涉结果分别进入第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4转化为
光电流
和
，分别可写为
其中，
和
分别为第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的响应效率。二
者经过第一减法器2-1之后的差分电流为
理想情况下，第一分束器1-2的透过率和反射率相等，并且第一光电探测器1-3和
第二光电探测器1-4的响应效率也相等，即
，可以得到
差分电流
由于真空态的平均强度为0，从而可以得到差分电流Δi的平均值和方差分别为：
因此差分电流的均值为0，方差与真空态量子涨落的方差
成正比，符合高斯分
布。可以看出，真空态的量子涨落被本振光放大，成为测量并被量化提取随机性的熵源。
然而实际器件存在非完美性，分束器的透过率和反射率通常不相等，并且第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的响应效率也不相等，因此差分电流的平均值不为0。通过将差分电流分成两路，其中一路经过积分器2-2进行积分并得到差分电流的平均值〈Δi〉，并与另一路通过第二减法器2-3再次进行差分可得二次差分电流信号
进而可得二次差分电流信号的平均值和方差分别为
由上式可以看出，二次差分电流信号的平均值为0，方差不变，与理想情况下的结果相同，因此可以消除非完美器件带来的非平衡性问题。通过数据采集模块2-4对二次差分电流信号进行采样完成模数转换，得到原始随机比特并进一步处理成最终的随机数序列。
如图2所示，本发明用于量子随机数发生器的集成光学芯片实施例一：
所述电子学处理模块2还包括放大器2-5和后处理模块2-6，所述放大器2-5的输入端口、输出端口分别与第二减法器2-3的输出端口、数据采集模块2-4的输入端口相连；所述后处理模块2-6与数据采集模块2-4的输出端口相连；所述放大器2-5用于放大第二减法器2-3输出的弱电流信号；所述后处理模块2-6用于执行数据后处理算法。所述后处理算法为冯诺依曼纠偏算法：将所述数据采集模块2-4采样得到的原始随机序列中相邻的2比特01作为0，10作为1，连续00和11舍去，得到提取后的随机比特串。
实施例一具体工作过程包括为：
所述光源1-1产生电场强度为
的连续光，其与真空态分别进入第一分束器1-2
的两个输入端口，二者的干涉结果分别从第一分束器1-2的两个输出端口出射，并分别进入
第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4转化为光电流，得到两路光电流经过第一减法器
2-1进行差分，产生的差分电流信号，随后将其分成两路，其中一路经过积分器2-2进行积分
并得到差分电流的平均值，并与另一路通过第二减法器2-3再次进行差分可得二次差分电
流信号，该信号符合均值为0、方差为σ2的高斯分布，通过放大器2-5将该信号放大之后，通
过数据采集模块2-4进行采样得到原始随机序列。
由于测量所得的随机变量总是难以避免的混入经典噪声，对生成随机序列的随机性造成影响，因此需要对采集到的原始随机序列进行后处理，将其输入到后处理模块进行随机性提取。后处理算法采用冯诺依曼纠偏算法，将所述数据采集模块2-4采样得到的原始随机序列中相邻的2比特01作为0，10作为1，连续00和11舍去，最终得到相关性较小且无偏置的随机序列。
如图3所示，本发明用于量子随机数发生器的集成光学芯片实施例二：
所述集成光芯片1还包括第二分束器1-5和第三光电探测器1-6，所述第二分束器1-5的输入端口与光源的1-1相连；所述第二分束器1-5的两个输出端口分别与第三光电探测器1-6的输入端口和第一分束器1-2的一个输入端口相连；所述第三光电探测器1-6的输出端口连接数据采集模块2-4。所述电子学处理模块2还包括放大器2-5和后处理模块2-6，所述放大器2-5的输入端口、输出端口分别与第二减法器2-3的输出端口、数据采集模块2-4的输入端口相连；所述后处理模块2-6与数据采集模块2-4的输出端口相连；所述放大器2-5用于放大第二减法器2-3输出的弱电流信号；所述后处理模块2-6用于执行数据后处理算法。所述后处理算法为基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵算法：构造Toeplitz矩阵，将其与所述数据采集模块2-4采样得到的原始随机序列相乘，得到提取后的随机比特串。
实施例二具体工作过程包括为：
所述光源1-1产生电场强度为
的连续光，首先进入第二分束器1-5分成两束光
信号，其中一束进入第三光电探测器1-6进行功率测量，另一路与真空态分别进入第一分束
器1-2的两个输入端口，二者的干涉结果分别从第一分束器1-2的两个输出端口出射，并分
别进入第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4转化为光电流，得到两路光电流经过第一
减法器2-1进行差分，产生的差分电流信号，随后将其分成两路，其中一路经过积分器2-2进
行积分并得到差分电流的平均值，并与另一路通过第二减法器2-3再次进行差分可得二次
差分电流信号，该信号符合均值为0、方差为σ2的高斯分布，通过放大器2-5将该信号放大之
后，通过数据采集模块2-4进行采样得到原始随机序列，并输入到后处理模块进行随机性提
取。
由于光源1-1产生的连续光光强存在涨落，其电场为
为光源的电场强度，且
为振幅分量，
为相位分量。则从第一分束器
1-2的两个输出端口出射，电场强度分别为
和
，可写为
干涉结果分别进入第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4转化为光电流
和
，分别可写为
其中，
和
分别为第一光电探测器1-3和第二光电探测器1-4的响应效率。二
者经过第一减法器2-1之后的差分电流为
这里忽略了δX和δP的高阶项。
由于真空态的平均强度为0，从而可以得到差分电流Δi的平均值和方差分别为：
因此差分电流的均值不为0，方差为真空态量子涨落的方差
以及光源光强涨落
的方差
之和。随后通过将差分电流分成两路，其中一路经过积分器2-2进行积分并得到
差分电流的平均值〈Δi〉，并与另一路通过第二减法器2-3再次进行差分可得二次差分电流
信号
进而可得二次差分电流信号的平均值和方差分别为
由上式可以看出，二次差分电流信号的平均值为0，方差不变。由于最终测量的方
差还包括经典电子学噪声方差
，需要分别测量
和
。
通过第三光电探测器1-6对光源光强进行测量，可以得到光源涨落方差
，关闭光
源可测得经典电子学噪声方差
，测量的总方差减去即可得到真空量子涨落的方差，从
而得到量子噪声所占比例。通过计算量子噪声分布情况计算得到最小熵Hmin，用于确定后
处理Toeplitz矩阵算法的压缩比。
将数据采集模块2-4输出的长度为k的原始随机序列输入后处理模块2-6，利用剩余哈希引理确定输出随机序列长度
其中，n为ADC采样精度，ε为信息论安全参数。
随后用j+k-1比特的随机数种子构造出一个j×k的Toeplitz矩阵，通过原始数据与Toeplitz矩阵相乘即可得到提取后的随机比特串，并输出最终的量子随机数。
综合本发明各个实施例可知，本发明的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，将光源、光电探测器以及分束器一体化集成并和电子学模块集成封装，可减小随机数发生器的整体尺寸，大大提高了芯片的集成度。另外，通过将两个光电探测器的差分电流与其平均值再次差分，消除了分束器分束不均衡以及光电探测器响应效率不一致引起的不平衡问题，从而提高了随机数发生器的随机性和可靠性。
Claims (7)
1.一种基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，包括集成光芯片（1）和电子学处理模块（2），所述集成光芯片（1）包括光源（1-1）、第一分束器（1-2）、第一光电探测器（1-3）和第二光电探测器（1-4），所述光源（1-1）与第一分束器（1-2）的一个输入端口相连，所述第一分束器（1-2）的另一个输入端口空置，作为真空态输入端口，所述第一分束器（1-2）的两个输出端口分别与第一光电探测器（1-3）和第二光电探测器（1-4）的输入端口相连；所述电子学处理模块（2）包括第一减法器（2-1）、积分器（2-2）、第二减法器（2-3）和数据采集模块（2-4），所述第一光电探测器（1-3）和第二光电探测器（1-4）的输出端口分别与第一减法器（2-1）的两个输入端口相连；所述第一减法器（2-1）的输出端口分成两路，分别连接积分器（2-2）的输入端口和第二减法器（2-3）的一个输入端口；所述积分器（2-2）的输出端口连接第二减法器（2-3）的另一个输入端口；所述第二减法器（2-3）的输出端口连接数据采集模块（2-4）；所述第一减法器（2-1）用于产生第一光电探测器（1-3）和第二光电探测器（1-4）的差分电流信号；所述积分器（2-2）用于产生第一减法器（2-1）输出电流的平均值；所述第二减法器（2-3）用于产生所述平均值与差分电流信号的二次差分电流信号；所述数据采集模块（2-4）用于对所述二次差分电流信号进行采样并输出随机序列。
2.如权利要求1所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述电子学处理模块（2）还包括放大器（2-5）和后处理模块（2-6），所述放大器（2-5）的输入端口、输出端口分别与第二减法器（2-3）的输出端口、数据采集模块（2-4）的输入端口相连；所述后处理模块（2-6）与数据采集模块（2-4）的输出端口相连；所述放大器（2-5）用于放大第二减法器（2-3）输出的弱电流信号；所述后处理模块（2-6）用于执行数据的后处理算法。
3.如权利要求1所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述集成光芯片（1）还包括第二分束器（1-5）和第三光电探测器（1-6），所述第二分束器（1-5）的输入端口与光源（1-1）相连；所述第二分束器（1-5）的两个输出端口分别与第三光电探测器（1-6）的输入端口和第一分束器（1-2）的一个输入端口相连；所述第三光电探测器（1-6）的输出端口连接数据采集模块（2-4）。
4.如权利要求1或2或3所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述光源（1-1）为连续激光器，并且与第一分束器（1-2）、第一光电探测器（1-3）和第二光电探测器（1-4）集成在同一衬底上。
5.如权利要求1或2或3所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述第一分束器（1-2）为由四端口3dB定向耦合器构成的光波导结构。
6.如权利要求2所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述后处理算法为冯诺依曼纠偏算法：将所述数据采集模块（2-4）采样得到的原始随机序列中相邻的2比特01作为0，10作为1，连续00和11舍去，得到提取后的随机比特串。
7.如权利要求2所述的基于真空涨落的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述后处理算法为基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵算法：构造Toeplitz矩阵，将其与所述数据采集模块（2-4）采样得到的原始随机序列相乘，得到提取后的随机比特串。
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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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