CN115145540A - 基于雪崩效应的量子随机数生成器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及基于雪崩效应的量子随机数生成器，根据本申请的一些实施例，一种量子随机数生成器，其包括：信号生成电路，其包括雪崩二极管，所述雪崩二极管用作熵源以使所述信号生成电路产生随机性的脉冲信号；猝熄电路，其接收所述脉冲信号并将其转化为数字信号；以及去偏离电路，其用于根据所述数字信号的下降沿的个数的奇偶性确定量子随机数。本申请实施例还提供了一种集成电路，其包括前述的量子随机数生成器。本申请实施例提供的基于雪崩效应的量子随机数生成器可有效解决传统技术中遇到的问题。

Description

基于雪崩效应的量子随机数生成器

技术领域

本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种量子随机数生成器。

背景技术

在现代社会中，随机数在科学、经济、工业等许多方面中有着重要的作用。具体而言，在密码学、蒙特卡洛计算与分析、工业测试等领域中，随机数都扮演着重要的角色。

在当前使用最为广泛的是计算机通过某些确定的算法生成的伪随机数。简而言之，伪随机数生成装置(PRNG)不过是一个数学公式，它产生一个确定的、周期性的数字序列，该序列完全由称为种子的初始状态决定。由于伪随机数序列并非真的随机，其经常导致随机模拟和计算出现错误，并且在密码学应用中，由于所有主要的PRNG家族都已经被破译，因此伪随机数的使用存在极大的安全风险。

如何得到无法通过计算得出的、真正随机的真随机数是目前亟待解决的问题。而数字计算机的操作是确定性的，所以它们不能产生真随机数。相反，真随机数通常使用物理(真实)随机数生成装置(TRNG)来获得，它通过测量一个精密控制、特别准备的物理过程来运作。量子力学固有的随机性使量子系统成为真随机数生成器的理想熵源。而目前量子随机数生成器的方案主要在光学系统中实现，成本高昂，能耗高，且系统复杂，无法与CMOS工艺兼容，难以小型化、芯片化。

因此本申请提出一种量子随机数生成器。

发明内容

本申请是为了解决上述问题而进行的，目的之一在于提供一种基于二极管的量子随机数生成器，其随机性更好控，且电子方式便于集成、芯片化，嵌入其它器件里。

本申请的实施例提供一种量子随机数生成器，其包括：

信号生成电路，其包括雪崩二极管，雪崩二极管用作熵源以使信号生成电路产生随机性的脉冲信号；

猝熄电路，其接收脉冲信号并将其转化为数字信号；以及

去偏离电路，其用于根据数字信号的下降沿的个数的奇偶性确定量子随机数。

根据本申请的一些实施例，其中所述去偏离电路还包括计数电路和采样电路。

根据本申请的一些实施例，其中所述计数电路包括JK触发器。

根据本申请的一些实施例，其中所述采样电路包括D触发器。

根据本申请的一些实施例，其中所述猝息电路为主动猝息电路。

本申请的实施例还提供一种集成电路，其包括根据前述中任一量子随机数生成器。

本申请提出的量子随机数生成器所生成量子随机数的随机性实际上是提取自二极管的随机信号波动，从而保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

附图说明

图1为根据本申请一些实施例的量子随机数生成器的示意图。

图2为根据本申请一些实施例的模数转换电路的示意图。

图3为根据本申请一些实施例的去偏离电路示意图。

图4为根据本申请实施例的计数电路400的示意图。

图5和图6为根据本申请一些实施例的第二计数电路中的触发器的示意图。

具体实施方式

为了使本申请实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本申请提供的基于光互联单元的光学组件及光芯片作具体阐述。

本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”、“约”及“左右”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“垂直”、“侧面”、“上部”、“下部”以及其衍生性的用词(例如“上表面”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

再者，为便于描述，“第一”、“第二”等等可在本文中用于区分一个器件或一系列器件的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应器件。

本申请提出的量子随机数生成器利用二极管的量子隧穿效应(以下简称为“隧穿效应”)或雪崩效应(一种量子效应)产生随机性的波动信号，保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

图1为根据本申请一些实施例的量子随机数生成器的示意图。

本申请实施例提出的一种基于二极管的量子随机数生成器100可包括：信号生成电路、信号过滤电路、模数转换电路以及去偏离电路，其中信号生成电路包括二极管，该二极管用作熵源以使信号生成电路产生随机性的波动信号；信号过滤电路经配置以对波动信号进行过滤，模数转换电路经配置将经过滤的信号转换为数字信号，去偏离电路经配置通过冯诺依曼去偏离方法去掉模数转换电路的输出信号的偏离，使输出的随机数均匀分布。

其中信号生成电路可产生随机性的波动信号(例如波动电压)，根据本申请一些实施例，信号生成电路的二极管可以产生随机性的隧穿电流，进而产生具有随机性的波动电压。

二极管在反向偏置，电流强度接近拐点电流的情况下工作，此时二极管在接近纯量子(隧道效应)的状态下运行，产生随机的电压波动。较佳地，在本申请具体实施例中，二极管为齐纳二极管。

二极管所产生的随机的波动电压经过电容和高通滤波器过滤掉直流、低频部分之后，经过模数转换电路可转化为随机的数字信号，然后该数字信号可被去偏离电路接收并转化为无自相关、无偏离的数字信号。因此，隧穿效应导致的电压波动的内秉随机特性即可被提取出来并转换成原始的量子随机数。也就是说，在本申请的一些实施例中，上述量子随机数生成器所生成量子随机数的随机性实际上是提取自二极管内部的隧穿效应所带来的随机电压波动，从而保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

信号过滤电路可包括电容，用于屏蔽波动电压的直流部分，提取其交流部分。

信号过滤电路还可包括高通滤波器，用于过滤波动电压中的低频信号。

模数转换电路，用于将接收到的电压信号转换成离散的数字信号，并输出至去偏离电路。

去偏离电路用于去除数字信号的偏离(bias)和自相关(autocorrelation)，去偏离电路所输出的离散的数字信号即可作为量子随机数或量子随机数的原始数据，进而生成所需的随机数。

冯诺依曼去偏离方法的工作原理如下：含有偏离的比特序列被分割成无重叠的比特对序列，其中比特对“11”和“00”被弃用，“01”转化为“0”，“10”转化为“1”，从而实现满足均匀分布、彼此无关联的随机数。

根据本申请的一些实施例，模数转换电路包括比较器(例如图2中的COMP)，比较器用于将接收到的交流电压信号转化为数字信号。

图2为根据本申请一些实施例的模数转换电路的示意图。

如图2所示，模数转换电路200还可包括负反馈单元，该负反馈单元用于调节比较器COMP的正输入端电压，使比较器达到0.5左右的占空比。负反馈单元可包括低通滤波器LP、放大器OPA、电阻等元件，如图2所示。

本申请提出的量子随机数生成器采用纯电子的方式利用二极管的隧穿效应生成随机数，便于小型化、芯片化，同时器件结构简单，成本低廉。

根据本申请的一些实施例，去偏离电路可包括：时钟、触发器以及异或门，其中异或门用于接收触发器的信号。

时钟，也称为时钟发生器，用于产生时钟脉冲信号，并将时钟脉冲信号输出至触发器，在时钟信号的调节下，触发器将采样得到的比特对(即成对的高低电平)输入至异或门，根据异或门的输出进行判断，实现对比特对的去偏离，例如，当异或门输出为0时，该比特对被弃用，当异或门输出为1时，即可根据该比特对生成相应的随机数，从而得到均匀分布、无关联的随机数。

根据本申请另一些实施例，去偏离电路还可包括：移位寄存器，移位寄存器用于存储生成的随机数。

根据本申请的另一些实施例，其中去偏离电路还包括非门，用于将输入的脉冲信号反相，并输出至触发器的时钟端。

图3为根据本申请一些实施例的去偏离电路的结构示意图。

如图3所示，去偏离电路300可包括多个触发器，例如四个D触发器(分别为D触发器A、D触发器B、D触发器C和D触发器D，依次对应于图3中的第一触发器311、第二触发器312、第三触发器313以及第四触发器314)，但并不限于此，去偏离电路也可包括其它能实现采样的器件，例如JK触发器；非门，用于将输入的脉冲信号反相，并输出至第四触发器314的时钟(Clock)端；异或门，用于接收第二触发器312的Q端信号以及第三触发器313的Q端信号，并将异或后的信号输出至第四触发器314的D端；移位寄存器(Shift Register)315，用于在时钟(Clock)端接收的第四触发器314的Q端输出触发下，存储输入缓冲端(Input buffer)接收的第二触发器312的Q端输出。

其中第一触发器311用于通过Clock端所接收到的时钟脉冲信号触发而改变状态，其Q端输出信号输出至第二触发器312的Clock端、

端输出信号输出至第三触发器313的Clock端、第四触发器314的clear端；第二触发器312，用于在Clock端接收到的第一触发器311的Q端信号的触发下，将D端接收到的随机数字信号存储至Q端，并将Q端信号输出至异或门的输入端与移位寄存器(Shift Register)315的输入缓冲端(Input buffer)；第三触发器313，用于在Clock端接收到的第一触发器311的

端信号的触发下，将D端接收到的随机数字信号存储至Q端，并将Q端信号输出至异或门的另一输入端；第四触发器314，用于在clear端接收到的第一触发器311的

端信号以及在时钟端接收到的非门的输出信号的控制下，将D端接收到的异或门的输出信号存储至Q端，并将Q端信号输出至移位寄存器315的Clock端。

附图3中的各单元之间由不同粗细的线路连接旨在用于区分不同属性的信号，其中第一线路301代表逻辑高电平信号，第二线路302代表逻辑低电平信号，第三线路303代表随机信号。

在本申请的技术方案中，由于使用了上述的二极管、模数转换电路、去偏离电路，因此可以利用二极管内部的隧穿效应所带来的随机电压波动产生随机数，从而可以保证所生成量子随机数的真随机性和可靠性。而且，由于本方案中采取的器件均为电子元件，不含光源以及光电检测器件，因此可以降低整个装置的成本，也降低了器件的复杂度和尺寸。此外，本申请的技术方案中的量子随机数生成器所使用的电子元件均与集成电路工艺兼容，使芯片化、小型化成为可能，极大地开拓了应用潜力。

本申请在一些实施例中还提供一种量子随机数生成器，通过将量子随机数生成器100中的去偏离电路替换为计数电路，基于数字信号生成量子随机数。

其中信号生成电路可产生随机性的波动信号(例如波动电压)，信号生成电路的二极管可以产生随机性的隧穿电流，进而产生具有随机性的波动电压。

二极管在反向偏置，电流强度接近拐点电流的情况下工作，此时二极管在接近纯量子(隧道效应)的状态下运行，产生随机的电压波动。较佳地，在本申请具体实施例中，二极管为齐纳二极管。

信号过滤电路可包括电容，用于屏蔽波动电压的直流部分，提取其交流部分。

信号过滤电路还可包括高通滤波器，用于过滤波动电压中的低频信号。

模数转换电路，用于将接收到的电压信号转换成离散的数字信号，并输出至计数电路。

计数电路，用于对采样时间内发生的电压击穿计数，并输出计数结果的最低几位，计数电路所输出的离散的数字信号即可作为量子随机数或量子随机数的原始数据。

二极管所产生的随机的电压波动经过电容和高通滤波器过滤掉直流、低频部分之后，经过模数转换电路可转化为随机的数字信号，其中二极管内部的电压击穿对应数字信号中的上升沿。固定时间内电压击穿发生的次数服从泊松分布，因此，固定时间内隧穿效应导致的电压击穿次数的内秉随机特性即可被提取出来并转换成原始的量子随机数。也就是说，在本申请的技术方案中，上述量子随机数生成器所生成量子随机数的随机性实际上是提取自固定时间内二极管内部的电压击穿次数，从而保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

由于本方案中采取的器件均为电子元件，不含光源以及光电检测器件，因此可以降低整个装置的成本，也降低了器件的复杂度和尺寸。

此外，本申请的技术方案中的量子随机数生成器所使用的电子元件均与集成电路工艺兼容，使芯片化、小型化成为可能，极大地开拓了应用潜力。

图4为根据本申请实施例的计数电路400的示意图。

根据本申请一些实施例，计数电路可包括二进制计数器，用于对采样时间内发生的电压击穿计数。

计数电路还可包括交互器件，以接收并处理结果，进而实现在所要求的误差范围内实现随机数生成速率的最大化。例如图4中的交互器件402可包括处理器，用于从串行接口接收计数结果，从中提取最低几位字节。

根据本申请一些实施例，如图4所示，二进制计数器在其各输出端口将统计到的电压击穿次数以二进制形式输出，如N_B(N_A为不同时间段的输出)，其中b_n…b₀代表该输出的第n+1…第1位，串行接口接收该输出的各位(输出的每一位均为相应的高低电平，例如b_k＝1，k为0…n之间的数，则计数器在该端口输出高电平，反之亦然)，并输出至处理器，处理器对接收到的随机数做相应处理，并根据处理结果决定时间窗口或所提取的位数，随后处理器将相应的信号输出至串行接口，串行接口再根据接收到的信号输出对应信号至窗口生成器，从而实现处理器对时间窗口的调节。

本申请提出的量子随机数生成器，由于使用了上述的二极管、模数转换电路、计数电路，因此可以利用固定时间内二极管内部的电压击穿次数产生随机数，从而可以保证所生成量子随机数的真随机性和可靠性。而且，由于本方案中采取的器件均为电子元件，不含光源以及光电检测器件，因此可以降低整个装置的成本，也降低了器件的复杂度和尺寸。

本申请另一实施例还提供另一种量子随机数生成器，其包括：信号生成电路，其包括雪崩二极管，该雪崩二极管用作熵源以使信号生成电路产生随机性的脉冲信号；猝熄电路，其接收脉冲信号并将其转化为数字信号；以及去偏离电路，其用于根据数字信号的下降沿的个数的奇偶性确定量子随机数。

其中，雪崩二极管用于发生雪崩效应，并将脉冲信号输出至猝熄电路；猝熄电路(例如主动猝息电路)用于在探测到脉冲信号后熄灭二极管，并将接收到的模拟脉冲信号转化为离散的数字信号输出至去偏离电路。

根据本申请一些实施例，去偏离电路可包括第二计数电路和采样电路。

第二计数电路用于对采样时间内的雪崩效应发生次数计数，并输出至采样电路，采样电路用于接收第二计数电路的离散随机信号并输出。

图5和图6为根据本申请一些实施例的第二计数电路中的触发器的示意图。

根据本申请一些实施例，第二计数电路可包括JK触发器，如图5所示，JK触发器500用于在时钟端(CP)接收到的主动猝熄电路的信号的触发下改变Q端状态并输出至采样电路。

根据本申请一些实施例，采样电路可包括D触发器，如图6所示，D触发器600用于在其时钟端(CP)接收到的采样信号(Request)的触发下，根据D端接收到的第二计数电路的输出信号(即图5中的Q端信号)改变D触发器600的Q端状态(Sample)并输出，从而得到量子随机数。

在本申请的上述量子随机数生成器中，使用了雪崩光电二极管作为熵源，二极管处于强反偏状态，使其达到雪崩倍增状态，在无光照情况下，热生载流子仍会激发雪崩，产生脉冲信号，随后，主动猝熄电路接收到脉冲信号后会将雪崩光电二极管熄灭。固定时间内雪崩的产生次数随机，服从泊松分布。

在本申请的上述技术方案中，雪崩光电二极管在固定时间内的雪崩次数的奇偶性经过第二计数电路计数转化为随机的数字信号，然后该数字信号可被采样电路采样，转化为无自相关、无偏离的数字信号。因此，固定时间内二极管雪崩次数的内秉随机特性即可被提取出来并转换成原始的量子随机数，从而保证了所生成量子随机数的真随机性和可靠性。

由于本方案中采取的器件均为电子元件，不需光源(当然有光源也可工作)，因此可以降低整个装置的成本，也降低了器件的复杂度和尺寸。

在本申请中的基于雪崩效应的量子随机数生成器中，由于使用了上述的二极管、猝熄电路、去偏离电路，因此可以利用二极管的雪崩效应带来的随机的脉冲信号产生随机数，从而可以保证所生成量子随机数的真随机性和可靠性。而且，本申请的技术方案中的量子随机数生成器可采用纯电子的方式，不需光源，同时也无需因光源而引入的光学器件，大大降低了量子随机数生成器的成本，也降低了器件的复杂度与尺寸，同时与集成电路工艺兼容，使小型化、芯片化成为可能，极大地开拓了应用潜力。

本申请的另一些实施例还提供一种集成电路，其包括根据前述的量子随机数生成器。根据具体应用需求，例如在密码学(产生密钥)、蒙特卡洛计算与分析、工业测试等领域中，通过将上述量子随机数生成器与其它器件一起协同作用，从而实现预期功能。

以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述申请提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本申请的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本申请的意图和范围内。

Claims (6)

1.一种量子随机数生成器，其包括：

信号生成电路，其包括雪崩二极管，所述雪崩二极管用作熵源以使所述信号生成电路产生随机性的脉冲信号；

猝熄电路，其接收所述脉冲信号并将其转化为数字信号；以及

去偏离电路，其用于根据所述数字信号的下降沿的个数的奇偶性确定量子随机数。

2.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其中所述去偏离电路还包括计数电路和采样电路。

3.根据权利要求2所述的量子随机数生成器，其中所述计数电路包括JK触发器。

4.根据权利要求2所述的量子随机数生成器，其中所述采样电路包括D触发器。

5.根据权利要求1所述的量子随机数生成器，其中所述猝息电路为主动猝息电路。

6.一种集成电路，其包括根据前述权利要求1-5中的任一权利要求所述的量子随机数生成器。

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