CN114995788A - 物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器 - Google Patents

物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器 Download PDF

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CN114995788A
CN114995788A CN202210930022.2A CN202210930022A CN114995788A CN 114995788 A CN114995788 A CN 114995788A CN 202210930022 A CN202210930022 A CN 202210930022A CN 114995788 A CN114995788 A CN 114995788A
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朱国滨
连晓青
伯建广
宋伟强
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Abstract

本申请公开了一种物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器，涉及通信技术领域。该物理随机数产生器包括：半导体环形激光器（20）；第一纳米激光器（36），用于基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号；第一数据生成模块（40），用于基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；第二纳米激光器（51），用于基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号；第二数据生成模块（60），用于基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；异或单元（70），用于对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。通过本申请解决了相关技术中真随机数安全性较低的问题。

Description

物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器。
背景技术
在信息时代，数据安全尤为重要。通过随机比特进行信息加密，是当前最主要的保密手段。现在广泛应用的通信系统中，信息传输速率较高，采用常规的真随机数序列进行加密的话，一般难以满足其通信速率的要求，采用伪随机数序列，则具有一定的安全隐患。因此，针对当前传输系统的要求，产生高码率的真随机数序列尤为重要。
当前通信系统所使用的随机数发生器的真随机数码率比较低、容易被破解，存在安全性的问题。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种物理随机数产生器和物理随机数产生方法及处理器，以解决相关技术中的随机数产生器输出的真随机数码率低，容易被破解，导致安全性较低的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种物理随机数产生器，包括：半导体环形激光器，用于产生正向混沌信号和产生反向混沌信号；第一物理随机数生成单元，至少包括第一纳米激光器和第一数据生成模块，其中，所述第一纳米激光器，用于基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号；所述第一数据生成模块，用于基于所述第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；第二物理随机数生成单元，包括第二纳米激光器和第二数据生成模块，其中，所述第二纳米激光器，用于基于所述反向混沌信号生成第二目标混沌信号；所述第二数据生成模块，用于基于所述第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；异或单元，用于对所述第一物理随机数序列和所述第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
进一步地，所述第一物理随机数生成单元还包括：第一偏振控制器，用于调节所述正向混沌信号的偏振态，以使所述正向混沌信号依据预设强度输入到第一光纤耦合器；所述第一光纤耦合器，用于将信号传输路径分为反馈路径和注入路径，通过所述注入路径将所述正向混沌信号输入到第一光纤隔离器，通过所述反馈路径将所述正向混沌信号输入到第一反馈回路；所述第一光纤隔离器，用于将所述正向混沌信号单向注入所述第一纳米激光器中；第一光衰减器和第二偏振控制器，设置于所述第一光纤隔离器和所述第一纳米激光器之间，用于调节所述正向混沌信号，以使所述第一纳米激光器输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
进一步地，所述第一反馈回路由所述半导体环形激光器的顺时针模式输出端、所述第一偏振控制器，所述第一光纤耦合器、第二光衰减器和反射镜组成，其中，通过所述第一光纤耦合器的反馈路径将所述正向混沌信号传输至所述第二光衰减器和所述反射镜，通过所述反射镜反射所述正向混沌信号，将反射的正向混沌信号经由所述第一偏振控制器，所述第一光纤耦合器和所述第二光衰减器注入所述半导体环形激光器，其中，通过所述第二光衰减器将所述反射的正向混沌信号的反馈强度调节在预设范围内，以使所述半导体环形激光器产生符合预设要求的正向混沌信号。
进一步地，所述第一数据生成模块包括：第一光电转换器，用于将所述第一目标混沌信号转换为电信号；第一模数转换器，用于将电信号的第一目标混沌信号转换为第一物理随机数序列。
进一步地，所述半导体环形激光器的电场速率方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，ESRL表示半导体环形激光器的慢变复电场振幅，κ表示电场衰减速率，α为线宽增强因子，g是差分增益因子，NSRL表示所述半导体环形激光器的载流子数，k表示后向散射率，δk为不对称因子，e为自然常数，ϕ为相移，η为反馈强度，τf为反馈时延，θ为反馈相位，i表征虚部单位，t表征时间。
进一步地，所述第一纳米激光器和所述第二纳米激光器的电场速率方程为：
Figure 673593DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，符号1和2分别表示所述第一纳米激光器和所述第二纳米激光器，Γ为光限制因子，F为腔内Purcell因子，β为自发辐射因子，N1(t)和N2(t)表示所述第一纳米激光器和所述第二纳米激光器的载流子数，E1(t)和E2(t)表示所述第一纳米激光器和所述第二纳米激光器的慢变复电场振幅，τn为载流子寿命，gn为差分增益因子，N0为透明载流子数，ε为增益饱和因子，τp为光子寿命，kin1和kin2为注入强度，τin1和τin2是注入时延，θt1和θt2为注入信号相位。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种物理随机数产生方法。该方法包括：通过半导体环形激光器产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将所述正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元，将所述反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元；通过所述第一物理随机数生成单元中的第一纳米激光器基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过所述第一物理随机数生成单元中的第一数据生成模块基于所述第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；通过所述第二物理随机数生成单元中的第二纳米激光器基于所述反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过所述第二物理随机数生成单元中的第二数据生成模块基于所述第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；通过异或单元对所述第一物理随机数序列和所述第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
进一步地，在通过半导体环形激光器产生正向混沌信号和反向混沌信号时，所述方法还包括：通过第一反馈回路对所述半导体环形激光器产生的正向混沌信号进行反馈调节，以使所述半导体环形激光器产生符合预设要求的正向混沌信号。
进一步地，在通过所述第一物理随机数生成单元中的第一纳米激光器基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号时，所述方法还包括：通过所述第一物理随机数生成单元中的第一光衰减器和第二偏振控制器对所述正向混沌信号进行调节，以使所述第一纳米激光器输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一项所述的物理随机数产生方法。
通过本申请，采用半导体环形激光器，用于产生正向混沌信号和产生反向混沌信号；第一物理随机数生成单元，至少包括第一纳米激光器和第一数据生成模块，其中，第一纳米激光器，用于基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号；第一数据生成模块，用于基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；第二物理随机数生成单元，包括第二纳米激光器和第二数据生成模块，其中，第二纳米激光器，用于基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号；第二数据生成模块，用于基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；异或单元，用于对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列，解决了相关技术中的随机数产生器输出的真随机数码率低，容易被破解，导致安全性较低的问题。通过耦合半导体环形激光器、第一纳米激光器和第二纳米激光器能够得到码率高、复杂度高、随机性强的目标物理随机数序列，进而达到了提高安全性的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的物理随机数产生器的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的物理随机数产生方法的流程图；
图3是根据本申请实施例提供的电子设备的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
下面对本申请提出的物理随机数产生器进行介绍，图1是根据本申请实施例提供的物理随机数产生器的示意图，如图1所示，该物理随机数产生器包括：
半导体环形激光器20，用于产生正向混沌信号和产生反向混沌信号；第一物理随机数生成单元30，至少包括第一纳米激光器36和第一数据生成模块40，其中，第一纳米激光器36，用于基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号；第一数据生成模块40，用于基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；第二物理随机数生成单元50，包括第二纳米激光器51和第二数据生成模块60，其中，第二纳米激光器51，用于基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号；第二数据生成模块60，用于基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；异或单元70，用于对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
如图1所示，物理随机数产生器包括半导体环形激光器20和第一纳米激光器36和第二纳米激光器51。第一纳米激光器36和第二纳米激光器51分别包含在第一物理随机数生成单元30和第二物理随机数生成单元50中，由半导体环形激光器20和2个纳米激光器作为产生物理随机数的物理熵源。半导体环形激光器20有两种输出类型，包括正向混沌信号和反向混沌信号。半导体环形激光器20输出正向混沌信号和反向混沌信号，正向混沌信号和反向混沌信号分别传输至第一物理随机数生成单元30和第二物理随机数生成单元50。通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36对正向混沌信号处理，并输出带宽更宽，复杂度更高的第一目标混沌信号，并且第一目标混沌信号没有时延特性。通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51对反向混沌信号处理，并输出带宽更宽，复杂度更高的第二目标混沌信号，并且第二目标混沌信号没有时延特性。
在激光器产生的混沌信号中，如果时延特征没有得到隐藏，可以通过相应的数学工具对混沌信号中的时延特征进行提取，进而得到激光器的硬件参数，那么对应其所产生的随机数序列随机性就会被破坏，因此，隐藏混沌信号中的时延特征对随机数发生器的随机性尤为重要。
然后利用第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40将第二目标混沌信号转换为第一物理随机数序列。利用第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60将第二目标混沌信号转换为第二物理随机数序列。
最后利用异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，得到最终的目标物理随机数序列。
综上所述，物理随机数产生器产生的信号复杂度高、随机性强：采用1个半导体环形激光器20和2个纳米激光器，使得产生的混沌信号复杂度非常高，并且保证了产生随机数序列的随机性和安全性。物理随机数产生器的结构简单，参数易于控制，易于集成：本申请涉及到的1个半导体环形激光器20和2个纳米激光器尺寸较小，一般来说纳米激光器的结构尺寸在0~100nm，易于集成化、芯片化处理，半导体环形激光器20采用最常见的外腔反馈，容易实现。而且本申请涉及到的1个半导体激光器和2个纳米激光器的功耗比较低，工作功率一般在mW量级，因此还具有低功耗的优点。
为了确保第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号，第一物理随机数生成单元30还包括以下内容：第一偏振控制器31，用于调节正向混沌信号的偏振态，以使正向混沌信号依据预设强度输入到第一光纤耦合器32；第一光纤耦合器32，用于将信号传输路径分为反馈路径和注入路径，通过注入路径将正向混沌信号输入到第一光纤隔离器33，通过反馈路径将正向混沌信号输入到第一反馈回路；第一光纤隔离器33，用于将正向混沌信号单向注入第一纳米激光器36中；第一光衰减器34和第二偏振控制器35，设置于第一光纤隔离器33和第一纳米激光器36之间，用于调节正向混沌信号，以使第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
具体地，第一物理随机数生成单元30中包括第一偏振控制器31，通过第一偏振控制器31对半导体环形激光器20输出的正向混沌信号的偏振态进行调整，提高输出的正向混沌信号的质量，也就是保证正向混沌信号依据预设强度（例如，40 ns-1）输入到第一光纤耦合器32，如果不对正向混沌信号的偏振态进行调整，大部分的信号会在传输中损失掉，影响后续的物理随机数生成。
第一物理随机数生成单元30中还包括第一光纤耦合器32，第一光纤耦合器32会将传输信号的路径分成两路：反馈路径和注入路径。反馈路径用于对半导体环形激光器20进行反馈调节，保证半导体环形激光器20产生高复杂度的正向混沌信号。
第一物理随机数生成单元30中还包括第一光纤隔离器33，第一光纤耦合器32将注入路径中的正向混沌信号传输至第一光纤隔离器33中，第一光纤隔离器33使得正向混沌信号单向注入到第一纳米激光器36中，保证单向注入能够有效提高半导体纳米激光器35的调节效率。
第一物理随机数生成单元30中还包括第一光衰减器34和第二偏振控制器35，通过第一光纤隔离器33将正向混沌信号经由第一光衰减器34和第二偏振控制器35输出到第一纳米激光器36中，通过第一光衰减器34和第二偏振控制器35对正向混沌信号进行调节，保证第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
需要说明的是，第二物理随机数生成单元50包括的内容与上述内容一致，在此不再赘述。
综上，通过调节光衰减器和偏振控制器就可以得到高复杂度的目标混沌信号，易于操作，提高处理效率。
通过反馈能够有效提高半导体环形激光器20输出的信号的质量，所以在物理随机数产生器设有反馈调节，第一反馈回路由半导体环形激光器20的顺时针模式输出端、第一偏振控制器31，第一光纤耦合器32、第二光衰减器37和反射镜38组成，其中，通过第一光纤耦合器32的反馈路径将正向混沌信号传输至第二光衰减器37和反射镜38，通过反射镜38反射正向混沌信号，将反射的正向混沌信号经由第一偏振控制器31，第一光纤耦合器32和第二光衰减器37注入半导体环形激光器20，其中，通过第二光衰减器37将反射的正向混沌信号的反馈强度调节在预设范围内，以使半导体环形激光器20产生符合预设要求的正向混沌信号。
具体地，第一反馈回路由半导体环形激光器20的顺时针模式输出端、第一偏振控制器31，第一光纤耦合器32、第二光衰减器37和反射镜38组成。同样还包括第二反馈回路，如图1所示，第二反馈回路用于调节半导体环形激光器20输出的反向混沌信号。具体地，通过第一光纤耦合器32的反馈路径将正向混沌信号传输至第二光衰减器37和反射镜38，通过反射镜38反射正向混沌信号，将反射的正向混沌信号经由第一偏振控制器31，第一光纤耦合器32和第二光衰减器37注回到半导体环形激光器20的顺时针模式输出端，实现对正向混沌信号的反馈调节。通过调节光衰减器，可以控制反馈路径上的正向混沌信号的反馈强度，使半导体环形激光器20输出高质量的正向混沌信号。
需要说明的是，在生成反向混沌信号时采用与上述相同的方法进行反馈调节，在此不再赘述。
第一数据生成模块40包括：第一光电转换器41，用于将第一目标混沌信号转换为电信号；第一模数转换器42，用于将电信号的第一目标混沌信号转换为第一物理随机数序列。
具体地，第一数据生成模块40包括：第一光电转换器41和第一模数转换器42，第一纳米激光器36输出的第一目标混沌信号经过第一光电转换器41和第一模数转换器42之后得到第一物理随机数序列，然后第一物理随机数序列被注入到异或单元70。
通过上述步骤，将没有时延特征的第一目标混沌信号转换为高码率的第一物理随机数序列，能够有效提高物理随机数的安全性。
半导体环形激光器20的电场速率方程为：
Figure 962492DEST_PATH_IMAGE001
其中，ESRL表示半导体环形激光器20的慢变复电场振幅，κ表示电场衰减速率，α为线宽增强因子，g是差分增益因子，NSRL表示所述半导体环形激光器20的载流子数，k表示后向散射率，δk为不对称因子，e为自然常数，ϕ为相移，η为反馈强度，τf为反馈时延，θ为反馈相位，i表征虚部单位，t表征时间。
第一纳米激光器36和第二纳米激光器51的电场速率方程为：
Figure 735276DEST_PATH_IMAGE002
Figure 666192DEST_PATH_IMAGE003
其中，符号1和2分别表示所述第一纳米激光器36和所述第二纳米激光器51，Γ为光限制因子，F为腔内Purcell因子，β为自发辐射因子，N1(t)和N2(t)表示所述第一纳米激光器36和所述第二纳米激光器51的载流子数，E1(t)和E2(t)表示所述第一纳米激光器36和所述第二纳米激光器51的慢变复电场振幅，τn为载流子寿命，gn为差分增益因子，N0为透明载流子数，ε为增益饱和因子，τp为光子寿命，kin1和kin2为注入强度，τin1和τin2是注入时延，θt1和θt2为注入信号相位。
具体地，半导体环形激光器20、第一纳米激光器36和第二纳米激光器51的电场速率方程如上述所示，通过上述电场速率方程保证半导体环形激光器20、第一纳米激光器36和第二纳米激光器51输出高复杂度的混沌信号，提高物理随机数的安全性。在合适的反馈强度、注入强度下，可以产生混沌振荡信号，且振荡频率快，带宽大。
在一可选的实施例中，半导体环形激光器20有两种输出类型，包括正向混沌信号和反向混沌信号，其中，正向混沌信号和反向混沌信号输入反馈路径，通过调节反馈路径的光衰减器，保证半导体环形激光器20输出高复杂度的混沌信号。具体地，使得半导体环形激光器20输出混沌信号的反馈强度大小在[30ns-1，100ns-1]范围内可调。
半导体环形激光器20的正向混沌信号和反向混沌信号输入注入路径，通过调节注入路径上的光衰减器34，可以保证第一纳米激光器36和第二纳米激光器51工作在混沌振荡状态，并且输出的信号没有明显的时延特征。具体地，使得第一纳米激光器36和第二纳米激光器51输出没有时延特征的混沌信号的注入强度大小在[45ns-1，500ns-1]范围内可调。
第一纳米激光器36和第二纳米激光器51的输出信号分别经过光电转换器，将光信号变为电信号，然后分别经过模数转换器之后，分别输入到异或单元70中，进行异或运算以得到目标物理随机数序列。
需要说明的是，在反馈路径上，有两种反馈方式，（1）自反馈方式，让正向混沌信号反馈注入到正向混沌信号的输出中，让反向混沌信号反馈注入到反向混沌信号的输出中；（2）交叉反馈方式，让正向混沌信号反馈注入到反向混沌信号的输出中，让反向混沌信号反馈注入到正向混沌信号的输出中。在本申请提供的物理随机数产生器中目前采用的是自反馈方式，但也可以采用交叉反馈方式。
在本申请实施例提供的物理随机数产生器中，采用半导体环形激光器20，用于产生正向混沌信号和产生反向混沌信号；第一物理随机数生成单元30，至少包括第一纳米激光器36和第一数据生成模块40，其中，第一纳米激光器36，用于基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号；第一数据生成模块40，用于基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；第二物理随机数生成单元50，包括第二纳米激光器51和第二数据生成模块60，其中，第二纳米激光器51，用于基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号；第二数据生成模块60，用于基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；异或单元70，用于对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列，解决了相关技术中的随机数产生器输出的真随机数码率低，容易被破解，导致安全性较低的问题。通过耦合半导体环形激光器20、第一纳米激光器36和第二纳米激光器51能够得到码率高、复杂度高、随机性强的目标物理随机数序列，进而达到了提高安全性的效果。
实施例2
下面结合优选的实施步骤对本发明进行说明，图2是根据本申请实施例提供的物理随机数产生方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S201，通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元30，将反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元50。
步骤S202，通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列。
步骤S203，通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列。
步骤S204，通过异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
具体地，通过半导体环形激光器20输出正向混沌信号和反向混沌信号，正向混沌信号和反向混沌信号分别传输至第一物理随机数生成单元30和第二物理随机数生成单元50。通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36对正向混沌信号处理，并输出带宽更宽，复杂度更高的第一目标混沌信号，并且第一目标混沌信号没有时延特性。通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51对反向混沌信号处理，并输出带宽更宽，复杂度更高的第二目标混沌信号，并且第二目标混沌信号没有时延特性。
然后利用第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40将第二目标混沌信号转换为第一物理随机数序列。利用第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60将第二目标混沌信号转换为第二物理随机数序列。
最后利用异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，得到最终的目标物理随机数序列。
综上所述，通过耦合半导体环形激光器20、第一纳米激光器36和第二纳米激光器51能够得到码率高、复杂度高、随机性强的目标物理随机数序列。
为了使得半导体环形激光器20输出高复杂度的信号，在通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号时，该方法还包括：通过第一反馈回路对半导体环形激光器20产生的正向混沌信号进行反馈调节，以使半导体环形激光器20产生符合预设要求的正向混沌信号。
第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号，在通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号时，该方法还包括：通过第一物理随机数生成单元30中的第一光衰减器34和第二偏振控制器35对正向混沌信号进行调节，以使第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
具体地，在通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号时，通过调节偏振控制器，可以改变光纤中的正向混沌信号和反向混沌信号的偏振态，提高半导体环形激光器20输出的信号的质量，保证半导体环形激光器20输出高复杂度的信号。
在通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号以及通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号时，通过调节光衰减器以及偏振控制器，可以控制注入路径上的信号注入强度，使第一纳米激光器36和第二纳米激光器51输出混沌信号，且实现输出混沌信号的时延特征得到隐藏。
综上所述，本申请实施例提供的物理随机数产生方法，通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元30，将反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元50；通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；通过异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列，解决了相关技术中的随机数产生器输出的真随机数码率低，容易被破解，导致安全性较低的问题。通过耦合半导体环形激光器20、第一纳米激光器36和第二纳米激光器51能够得到码率高、复杂度高、随机性强的目标物理随机数序列，进而达到了提高安全性的效果。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例3
如图3所示，本发明实施例提供了一种电子设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元30，将反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元50；通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；通过异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
可选地，在通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号时，方法还包括：通过第一反馈回路对半导体环形激光器20产生的正向混沌信号进行反馈调节，以使半导体环形激光器20产生符合预设要求的正向混沌信号。
可选地，在通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号时，方法还包括：通过第一物理随机数生成单元30中的第一光衰减器34和第二偏振控制器35对正向混沌信号进行调节，以使第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元30，将反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元50；通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过第一物理随机数生成单元30中的第一数据生成模块40基于第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；通过第二物理随机数生成单元50中的第二纳米激光器51基于反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过第二物理随机数生成单元50中的第二数据生成模块60基于第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；通过异或单元70对第一物理随机数序列和第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
可选地，在通过半导体环形激光器20产生正向混沌信号和反向混沌信号时，该方法还包括：通过第一反馈回路对半导体环形激光器20产生的正向混沌信号进行反馈调节，以使半导体环形激光器20产生符合预设要求的正向混沌信号。
可选地，在通过第一物理随机数生成单元30中的第一纳米激光器36基于正向混沌信号生成第一目标混沌信号时，该方法还包括：通过第一物理随机数生成单元30中的第一光衰减器34和第二偏振控制器35对正向混沌信号进行调节，以使第一纳米激光器36输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
本发明实施例提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行物理随机数产生方法。
以上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)

1.一种物理随机数产生器，其特征在于，包括：
半导体环形激光器（20），用于产生正向混沌信号和产生反向混沌信号；
第一物理随机数生成单元（30），至少包括第一纳米激光器（36）和第一数据生成模块（40），其中，所述第一纳米激光器（36），用于基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号；所述第一数据生成模块（40），用于基于所述第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；
第二物理随机数生成单元（50），包括第二纳米激光器（51）和第二数据生成模块（60），其中，所述第二纳米激光器（51），用于基于所述反向混沌信号生成第二目标混沌信号；所述第二数据生成模块（60），用于基于所述第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；
异或单元（70），用于对所述第一物理随机数序列和所述第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
2.根据权利要求1所述的物理随机数产生器，其特征在于，所述第一物理随机数生成单元（30）还包括：
第一偏振控制器（31），用于调节所述正向混沌信号的偏振态，以使所述正向混沌信号依据预设强度输入到第一光纤耦合器（32）；
所述第一光纤耦合器（32），用于将信号传输路径分为反馈路径和注入路径，通过所述注入路径将所述正向混沌信号输入到第一光纤隔离器（33），通过所述反馈路径将所述正向混沌信号输入到第一反馈回路；
所述第一光纤隔离器（33），用于将所述正向混沌信号单向注入所述第一纳米激光器（36）中；
第一光衰减器（34）和第二偏振控制器（35），设置于所述第一光纤隔离器（33）和所述第一纳米激光器（36）之间，用于调节所述正向混沌信号，以使所述第一纳米激光器（36）输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
3.根据权利要求2所述的物理随机数产生器，其特征在于，所述第一反馈回路由所述半导体环形激光器（20）的顺时针模式输出端、所述第一偏振控制器（31），所述第一光纤耦合器（32）、第二光衰减器（37）和反射镜（38）组成，其中，通过所述第一光纤耦合器（32）的反馈路径将所述正向混沌信号传输至所述第二光衰减器（37）和所述反射镜（38），通过所述反射镜（38）反射所述正向混沌信号，将反射的正向混沌信号经由所述第一偏振控制器（31），所述第一光纤耦合器（32）和所述第二光衰减器（37）注入所述半导体环形激光器（20），其中，通过所述第二光衰减器（37）将所述反射的正向混沌信号的反馈强度调节在预设范围内，以使所述半导体环形激光器（20）产生符合预设要求的正向混沌信号。
4.根据权利要求1所述的物理随机数产生器，其特征在于，所述第一数据生成模块（40）包括：
第一光电转换器（41），用于将所述第一目标混沌信号转换为电信号；
第一模数转换器（42），用于将电信号的第一目标混沌信号转换为第一物理随机数序列。
5.根据权利要求1所述的物理随机数产生器，其特征在于，所述半导体环形激光器（20）的电场速率方程为：
Figure 786507DEST_PATH_IMAGE001
其中，ESRL表示所述半导体环形激光器（20）的慢变复电场振幅，κ表示电场衰减速率，α为线宽增强因子，g是差分增益因子，NSRL表示所述半导体环形激光器（20）的载流子数，k表示后向散射率，δk为不对称因子，e为自然常数，ϕ为相移，η为反馈强度，τf为反馈时延，θ为反馈相位，i表征虚部单位，t表征时间。
6.根据权利要求1所述的物理随机数产生器，其特征在于，所述第一纳米激光器（36）和所述第二纳米激光器（51）的电场速率方程为：
Figure 933979DEST_PATH_IMAGE002
Figure 467728DEST_PATH_IMAGE003
其中，符号1和2分别表示所述第一纳米激光器（36）和所述第二纳米激光器（51），Γ为光限制因子，F为腔内Purcell因子，β为自发辐射因子，N1(t)和N2(t)表示所述第一纳米激光器（36）和所述第二纳米激光器（51）的载流子数，E1(t)和E2(t)表示所述第一纳米激光器（36）和所述第二纳米激光器（51）的慢变复电场振幅，τn为载流子寿命，gn为差分增益因子，N0为透明载流子数，ε为增益饱和因子，τp为光子寿命，kin1和kin2为注入强度，τin1和τin2是注入时延，θt1和θt2为注入信号相位。
7.一种物理随机数产生方法，其特征在于，所述物理随机数产生方法应用于权利要求1至6中任意一项所述的物理随机数产生器，所述物理随机数产生方法包括：
通过半导体环形激光器（20）产生正向混沌信号和反向混沌信号，并将所述正向混沌信号传输至第一物理随机数生成单元（30），将所述反向混沌信号传输至第二物理随机数生成单元（50）；
通过所述第一物理随机数生成单元（30）中的第一纳米激光器（36）基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号，并通过所述第一物理随机数生成单元（30）中的第一数据生成模块（40）基于所述第一目标混沌信号生成第一物理随机数序列；
通过所述第二物理随机数生成单元（50）中的第二纳米激光器（51）基于所述反向混沌信号生成第二目标混沌信号，并通过所述第二物理随机数生成单元（50）中的第二数据生成模块（60）基于所述第二目标混沌信号生成第二物理随机数序列；
通过异或单元（70）对所述第一物理随机数序列和所述第二物理随机数序列进行异或运算，以得到目标物理随机数序列。
8.根据权利要求7所述的物理随机数产生方法，其特征在于，在通过半导体环形激光器（20）产生正向混沌信号和反向混沌信号时，所述物理随机数产生方法还包括：
通过第一反馈回路对所述半导体环形激光器（20）产生的正向混沌信号进行反馈调节，以使所述半导体环形激光器（20）产生符合预设要求的正向混沌信号。
9.根据权利要求7所述的物理随机数产生方法，其特征在于，在通过所述第一物理随机数生成单元（30）中的第一纳米激光器（36）基于所述正向混沌信号生成第一目标混沌信号时，所述物理随机数产生方法还包括：
通过所述第一物理随机数生成单元（30）中的第一光衰减器（34）和第二偏振控制器（35）对所述正向混沌信号进行调节，以使所述第一纳米激光器（36）输出没有时延特性的第一目标混沌信号。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求7所述的物理随机数产生方法。
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