CN115185485A - 一种紧凑型量子随机数发生装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种借助自由空间光学器件实现的基于光子到达时间测量随机数原理的量子随机数发生装置及其标定方法。其中，无需借助光纤器件，仅借助自由空间光学器件即可进行光强控制，因此允许量子随机数发生装置结构紧凑。并且，由于无光学干涉仪等结构部件，无需进行相位反馈和维稳等过程，可以简化控制过程，且无需专门的电路控制，可以有效保证其稳定性和可靠性。

Description

一种紧凑型量子随机数发生装置及标定方法

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种基于光子到达时间测量原理，借助自由空间光学器件实现的紧凑型量子随机数发生装置，以及用于该量子随机数发生装置的标定方法。

背景技术

在量子通信系统中，随机数的应用随处可见，且对随机性要求非常严格。量子通信设备产生的密钥就是一个随机序列，该序列随机性的质量决定了密钥的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也十分广泛，在博彩活动、统计抽样、蒙特卡洛模拟及科学计算中，都扮演着重要角色。量子随机数发生器相对于基于数学算法的伪随机数发生器，使用基于量子力学原理的随机源，对随机变量进行测量得到输出信息，形成随机数。量子力学中的不确定性，真正满足不可预测和不可复制特征的物理过程，因此，基于量子随机源的方案也被称为真随机数发生器。

图1示出了现有技术中的一种量子随机数发生器(参见CN 109240645 A号中国专利申请)，其中通过光学干涉仪将激光的相位波动转换为激光强度涨落，采用常规光电探测器进行探测，而无需单光子探测器，由此可以提升随机数的生成速率。

图2示出了现有技术中的另一种量子随机数生成方法、装置及量子随机数发生器(参见CN 111090416 A号中国专利申请)，其中根据两个光信号各自的光强选取探测结果，不再按照时间进行间隔采样。由于根据两个光信号各自的光强选取探测结果，因此可以避免对存在误差甚至错误的探测信号进行采样生成数字信号，从而选取更加准确的探测信号，提高最终提取的随机数的随机性。

图3示出了现有技术中的一种小型化的随机数发生器(参见CN 106933532 A号中国专利申请)，该发生器基于激光相位噪声波动原理，通过光学干涉仪将激光相位噪声转换为强度波动，利用常规高速光电探测器实现光强探测，经过一系列后处理输出最终的随机数比特。该干涉仪结构简单，有利于小型化，随机数产生速率较高。

在上述已有的量子随机数发生装置或方法中，均采用基于激光相位噪声波动原理，普遍通过光学干涉原理将相位噪声转换为强度波动，从而可以采用普通的光电探测器对光强波动进行探测，这有利于提高量子随机数的生成速率。然而，这些装置或方法中普遍采用干涉仪结构，这类光学干涉仪对周围环境扰动通常比较敏感，如温度波动、振动等影响均会影响干涉仪的输出稳定性。另一方面，所采用的干涉仪结构，基本都依赖于光纤结构及光纤器件，各器件之间的连接头(无论采用光纤连接器或熔纤方案)会占用较大体积，加之有光纤的弯曲半径的限制，含有光纤结构的量子随机数发生装置难以真正实现紧凑化和小型化。

图4示出了现有技术中的一种基于全光纤结构的光子到达时间测量的随机数测量装置，其中，激光器发固定强度的连续光，通过光纤可调光衰减器(VOA)对连续激光进行衰减来实现单光子探测器所需光强。由于该随机数测量装置为全光纤结构，采用带有标准法兰接头的插拔式光功率计即可完成光强标校。但是，其中使用的激光二极管、可调光衰减器、单光子探测器均为含有尾纤的器件，器件之间连接及盘纤等都会占用较大体积或空间，且三个器件均为电控有源器件，增加了驱动电路的要求，在进行小型化和紧凑化设计方面增加了难度。

发明内容

针对这一问题，本发明基于光子到达时间测量的随机数原理，提出了一种借助自由空间光学器件实现的量子随机数发生装置。由于没有使用光纤器件(例如光学干涉仪及其控制电路)，仅包含连续光激光器、部分自由空间光学器件、单光子探测器及相关驱动电路和数据处理电路等，借助光源进行光强的精细控制即可达到要求，因此，整个量子随机数发生装置结构紧凑。由此，量子随机数发生装置可以允许放置于紧凑的模块中，也有利于嵌入到其他功能板卡中，从而拓展量子随机数发生器的应用领域，尤其是一些中低随机数生成速率要求的场合。此外，由于无光学干涉仪等结构部件，无需进行相位反馈和维稳等过程，光学输出结果稳定性增加，且控制过程得以简化。光衰减部分采用自由空间无源光学器件实现，无需专门的电路控制，可以有效保证其稳定性和可靠性。

具体而言，本发明的第一方面涉及一种紧凑型量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间-数字转换单元及数据后处理单元；

所述激光光源用于生成连续的激光信号；

所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；

所述时间-数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；

所述数据后处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；

其中，所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平。

进一步地，所述激光光源为激光二极管；并且，基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。

进一步地，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中的至少一种。其中，所述光发散元件被设置用于增加所述激光信号的发散角，所述自由空间衰减片被设置用于为通过的激光信号提供衰减。

可选地，所述光发散元件可以包括凹透镜，所述自由空间衰减片可以包括自由空间中性滤光片。

进一步地，所述激光光源为激光二极管。

更进一步地，本发明的量子随机数发生装置还可以包括激光二极管驱动电路，用于调节所述激光二极管的工作电流。

进一步地，所述单光子探测器为硅基单光子探测器或者铟镓砷材料的单光子探测器。

本发明的第二方面涉及用于上述量子随机数发生装置的标定方法，其包括第一步骤和第二步骤，其中：

在所述第一步骤中，在所述量子随机数发生装置内用于放置单光子探测器的光敏面的设计位置上放置光学针孔，且紧贴所述光学针孔后方设置光功率计探头，所述光功率计探头连接光功率计；其中，所述光学针孔和光功率计探头被设置成使所述光功率计探头上能够接收到激光信号的光敏面面积与所述单光子探测器的光敏面面积一致；

在所述第二步骤中，记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时，所述激光光源的工作参数。

进一步地，当所述激光光源为激光二极管时，所述第二步骤被设置成：调节用于所述激光二极管的驱动电流，并记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时的驱动电流值，作为所述激光二极管的工作电流。

进一步地，本发明的标定方法可以还包括移除所述光学针孔及光功率计探头和光功率计，将所述单光子探测器置于所述设计位置的步骤。

进一步地，所述光学针孔的直径被选择成与所述单光子探测器的光敏面的直径相同，且所述光功率计探头的光敏面的面积不小于所述光学针孔的面积。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了现有技术中的一种量子随机数发生器；

图2示出了现有技术中的另一种量子随机数发生器；

图3示出了现有技术中的一种小型化的随机数发生器；

图4示出了现有技术中的一种基于全光纤结构的光子到达时间测量的随机数测量装置；

图5示出了根据本发明的紧凑型量子随机数发生装置的原理示意图；

图6示出了用于本发明的紧凑型量子随机数发生装置的光强标定方法的示意图；

图7示出了根据本发明的紧凑型量子随机数发生装置的第一具体实施例；

图8示意性地示出了用于对第一具体实施例的量子随机数发生装置的标定过程；

图9示出了根据本发明的紧凑型量子随机数发生装置的第二具体实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图5示出了根据本发明的紧凑型量子随机数发生装置的原理示意图。

如图5所示，该量子随机数发生装置可以包括连续激光光源、单光子探测器、时间-数字转换单元(TDC)及数据后处理单元。

连续激光光源用于生成连续激光信号。作为示例，连续激光光源的波长范围可以包括紫外波段到近红外波段，例如850nm波段。

在优选示例中，连续激光光源可以采用半导体激光二极管。由此，使得允许借助驱动电路控制半导体激光二极管的工作电流，从而精确控制激光信号的输出强度。

单光子探测器用于对连续激光信号进行单光子探测并输出探测电信号。作为示例，单光子探测器可以为硅基单光子探测器或者铟镓砷材料的单光子探测器。

时间-数字转换单元(TDC)用于根据探测电信号，输出连续激光信号到达单光子探测器的时间与TDC参考时钟的时间差信息。

通过时间-数字转换单元测出光子到达单光子探测器的时间与外部周期性参考时钟(例如TDC参考时钟)的时间差信息，由于该时间差符合一定的分布，因此，可以利用数据后处理单元对该时间差信息进行采样、量化及数据处理等，生成量子随机数。

基于光子到达时间测量的随机数原理，在本发明的量子随机数发生装置中，需要使到达单光子探测器(光敏面)的激光信号的光强衰减至预设值(例如单光子水平)。为此，不同于现有技术中借助光纤可调光衰减器对光源输出的具有固定光强的激光信号进行光强衰减的方案，本发明提出了一种新的无需借助上述光纤结构，基于自由空间光学器件实现的解决方案，即，在量子随机数发生装置中设置自由空间衰减单元，其用于不借助光纤器件地为激光信号提供衰减。

作为自由空间衰减单元的一种实现方式，本发明提出利用激光二极管的本征发散来实现对激光信号的强度衰减。

具体而言，激光二极管输出的激光信号的光束本身在自由空间传播时存在一定的发散角，且在水平方向和垂直方向上的发散角不同，从而会在光辐射面上形成椭圆形光斑。因此，在该实现方式中，可以选择具有较大本征发散角的激光二级管作为连续激光光源，并在激光二极管的出射面与单光子探测器的光敏面之间选择合适的距离，激光信号在单光子探测器(光敏面)位置处的光斑远大于单光子探测器的光敏面大小，落在探测器光敏面之外的光子视为因光束发散导致的衰减，从而使到达单光子探测器光敏面的激光信号的光强衰减至预设值(单光子水平)，由此实现自由空间衰减单元。

作为自由空间衰减单元的另一种实现方式，可以借助自由空间光学器件在连续激光光源与单光子探测器之间形成自由空间衰减单元，以使到达单光子探测器(光敏面)的激光信号的光强衰减至预设值。

在一个示例中，自由空间衰减单元可以包括光发散元件，用于增加激光信号的发散角。由此，可以允许不对激光二极管的本征发散角形成限制，或者允许在激光二极管与单光子探测器形成更短的距离，使激光信号在单光子探测器位置处的光斑远大于单光子探测器的光敏面大小，由此使到达单光子探测器的光敏面的光强衰减至预设值。

作为示例，光发散元件可以为用于使光束发散的透镜，例如凹透镜。

在另一示例中，自由空间衰减单元可以包括自由空间衰减片，用于对在自由空间中传播的激光信号提供衰减，以使到达单光子探测器光敏面的光强衰减至预设值。

根据本发明，当自由空间衰减单元中的自由空间衰减片为多个时，各自由空间衰减片所提供的固定衰减值可以相同或不同。

作为示例，自由空间衰减片可以为中性(密度)滤光片。

在又一示例中，自由空间衰减单元可以包括光发散元件和自由空间衰减片的组合。

当在量子随机数发生装置中设置由光发散元件(例如凹透镜)和自由空间衰减片(例如中性密度滤光片)共同形成的自由空间衰减单元时，可以允许更短的空间长度。其中，自由空间衰减单元为激光信号提供固定且大范围的光强衰减，在此基础上，可以通过精细调节激光二极管的驱动电流，为激光信号在小范围内提供其衰减值精细可调的光强衰减，最终使到达单光子探测器光敏面的光强精确满足预设值(例如单光子水平)。

如前所述，在基于光子到达时间测量的随机数原理实现的随机数发生装置中，需要保证到达单光子探测器光敏面的激光信号光强为单光子水平。

为此，在已有基于光纤结构实现的随机数发生装置中，由于各光学器件通过光纤或尾纤连接，因此可以通过高灵敏度的光波测量系统实现光强标定。

显然，已有的光强标定方法并不适用于本发明的借助自由空间光学器件实现的随机数发生装置。因此，本文还将相应地公开了用于在基于自由空间光学器件的量子随机数发生装置中，标定特定位置(例如单光子探测器的光敏面)处光强(例如单光子水平)的方法。

图6示出了用于本发明的量子随机数发生装置的光强标定方法的示意图。

如图6所示，为标定单光子探测器光敏面处的光强，可以在量子随机数发生装置内，单光子探测器(光敏面)的设置位置上放置光学针孔，且紧贴光学针孔后方设置光功率计探头(其输出连接光功率计)。

根据本发明，光学针孔和光功率计探头将被设置成，使光功率计探头上能够接收到激光信号的光敏面面积与单光子探测器的光敏面面积一致。

作为示例，可以将光学针孔的直径选择成与单光子探测器光敏面的直径相同，且光功率计探头光敏面的面积不小于光学针孔的面积。

为保证探测结果的可靠性，可以事先对光功率计探头和单光子探测器的探测效率进行标定，例如计算得出相应的换算系数。

在完成上述物理设置之后，可以调节激光二极管的输出功率(即激光信号的光强)，例如通过电流源调节用于激光二极管的驱动电流，使到达光功率计探头的光强达到预设光强，并记录此时激光二极管的驱动电流，作为用于量子随机数发生装置的激光二极管的工作电流。

然后，可以移除光学针孔及光功率计探头和光功率计，将单光子探测器置于预定位置，即，单光子探测器光敏面的位置与光学针孔放置位置一致。由此完成量子随机数发生装置的装配。

在使用时，利用上述标定过程中记录的激光二极管工作电流驱动激光二极管，从而保证到达单光子探测器光敏面的光强为预设值(即单光子水平)。

为更好地理解本发明，下面将结合附图描述根据本发明的紧凑型量子随机数发生装置的具体实施例。

图7示出了根据本发明的量子随机数发生装置的第一具体实施例。

在该第一具体实施例中，连续激光光源可以采用激光二极管2，其将由激光二极管(LD)驱动电路1提供工作电流。因此，可以借助激光二极管驱动电路1调节工作电流，对激光信号的光强进行精细微调。

自由空间衰减单元可以包括凹透镜3和自由空间中性滤光片4。其中，凹透镜3用于增加连续激光信号的发散角，以提高光发散衰减；自由空间中性滤光片4用于为连续激光信号提供固定的光强衰减，由此共同为激光信号提供固定且大范围的光强衰减。

如图所示，该量子随机数发生装置还包括单光子探测器5、TDC6和数据后处理单元7。

图8示意性地示出了用于对第一具体实施例的量子随机数发生装置的标定过程。

如图8所示，在标定过程中，在单光子探测器5的位置上用光学针孔5-1替代单光子探测器5，紧贴光学针孔5-1后方设置光功率计探头8-1，光功率计探头8-1连接光功率计8-2。

假设根据随机数生成速率要求，设定到达单光子探测器光敏面的光子数为每秒50M个。由此可以确定，如果将850nm的激光二极管用作连续激光光源，到达单光子探测器光敏面的光功率为11.7pW(-79.3dBm)。

由此，可以根据激光二极管的发光功率，选择合适的光发散元件、自由空间衰减片等参数，使到达单光子探测器光敏面的光强接近预设值。

例如，可以选用：典型发光功率为10mW(10dBm)的激光二极管；光学密度为OD4的自由空间中性滤光片(其可以提供约40dB的衰减)；在激光二极管出射面处设置凹透镜对光束进行发散，且将激光二极管出射面与单光子探测器光敏面之间的距离设定为20mm，由此可以关于直径为50μm的单光子探测器光敏面，获得约45dB的光发散衰减。

基于上述配置，在单光子探测器(光敏面)位置处放置其直径为50μm的光学针孔，并紧贴其后设置高灵敏度的光功率计探头。

例如通过调节电流源1-1的电流，调节激光二极管的工作电流，同时监视光功率计的读数，并记录使读数达到预设值的工作电流等参数。

随后，可以移除光学针孔及光功率计探头和光功率计，将单光子探测器放置于预设位置(保证单光子探测器光敏面位置与光学针孔位置一致)。

此时，通过将标定过程中记录的工作电流作为激光二极管的工作电流，则可以使到达单光子探测器光敏面的激光信号功率值(光强)达到预设值(-79.3dBm)。

图9示出了根据本发明的量子随机数发生装置的第二具体实施例。

第二具体实施例与第一具体实施例的不同之处在于自由空间衰减单元的结构存在不同。

在该第二具体实施例中，自由空间衰减单元不再包括例如凹透镜等光发散元件，而是借助自由空间中性滤光片的组合来实现自由空间衰减单元，仅借助自由空间中性滤光片组合和光束本征发散实现所需要的固定衰减。

如图9所示，在该第二具体实施例中，量子随机数发生装置可以包括激光二极管驱动电路1、激光二极管2、由多个自由空间中性滤光片4形成的自由空间衰减单元、单光子探测器5、TDC6和数据后处理单元7。

作为示例，自由空间衰减单元可以包括光学密度为OD1、OD2和/或OD3的自由空间中性滤光片4的组合；激光二极管的出射面与单光子探测器光敏面之间的距离为20mm。由此，可以关于直径为50μm的单光子探测器光敏面，提供80-90dB的固定衰减。

在根据本发明的量子随机数发生装置的第三具体实施例中(未示出)，可以省略自由空间衰减单元，通过采用具有较大本征发散角的激光二极管，并在激光二极管的出射面与单光子探测器光敏面之间选择合适的距离，关于单光子探测器光敏面提供所需要的固定衰减，以便允许通过微调激光二极管的输出功率，使到达单光子探测器光敏面的功率值达到预设值。

基于上文可知，本发明基于光子到达时间测量的随机数原理，通过特别地利用光发散衰减等实现的大范围固定衰减与激光二极管输出功率的精细微调相结合，可以借助自由空间光学器件方便且精确地实现对到达单光子探测器光敏面的光强(光功率)要求，提供一种由自由空间光学器件组成的紧凑的随机数发生装置。同时，还给出了相应地光强标定方法，该方法操作简便且精确。

在本发明的量子随机数发生装置中，由于无光纤连接、光纤弯曲半径等条件限制，更加有利于设备紧凑化和小型化，从而拓展量子随机数更多的应用场合。并且，不同于现有的其他大多数量子随机数发生装置采用的类似光学干涉仪等结构，本发明的随机数发生装置中仅涉及光源、若干自由空间无源光学器件和单光子探测器等器件，避免了使用干涉仪方案带来的稳定性差问题，无需对干涉仪进行相位反馈维稳，因而增强了量子随机数发生装置的稳定性和可靠性。并且，相对于已有的光纤型的光子到达时间方案的随机数发生装置，光学衰减部分采用可靠性更高的无源器件进行自由空间光衰减，无需设计衰减器控制电路，结构进一步简化和紧凑，控制过程得到极大简化，可以实现更高的工作稳定性和可靠性。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种紧凑型量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间-数字转换单元及数据后处理单元；

所述激光光源用于生成连续的激光信号；

所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；

所述时间-数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；

所述数据后处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；

其中，所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平。

2.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其中：

所述激光光源为激光二极管；并且，

基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。

3.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其中，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中的至少一种；

所述光发散元件被设置用于增加所述激光信号的发散角；

所述自由空间衰减片被设置用于为通过的激光信号提供衰减。

4.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述光发散元件包括凹透镜。

5.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述自由空间衰减片包括自由空间中性滤光片。

6.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述激光光源为激光二极管。

7.如权利要求2或6所述的量子随机数发生装置，其还包括激光二极管驱动电路，用于调节所述激光二极管的工作电流。

8.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其中，所述单光子探测器为硅基单光子探测器或者铟镓砷材料的单光子探测器。

9.一种用于如权利要求1-8中任一项所述的量子随机数发生装置的标定方法，其包括第一步骤和第二步骤，其中：

在所述第一步骤中，在所述量子随机数发生装置内用于放置单光子探测器的光敏面的设计位置上放置光学针孔，且紧贴所述光学针孔后方设置光功率计探头，所述光功率计探头连接光功率计；其中，所述光学针孔和光功率计探头被设置成使所述光功率计探头上能够接收到激光信号的光敏面面积与所述单光子探测器的光敏面面积一致；

在所述第二步骤中，记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时，所述激光光源的工作参数。

10.如权利要求9所述的标定方法，其中，当所述激光光源为激光二极管时，所述第二步骤被设置成：

调节用于所述激光二极管的驱动电流，并记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时的驱动电流值，作为所述激光二极管的工作电流。

11.如权利要求9所述的标定方法，其还包括移除所述光学针孔及光功率计探头和光功率计，将所述单光子探测器置于所述设计位置的步骤。

12.如权利要求9所述的标定方法，其中，所述光学针孔的直径被选择成与所述单光子探测器的光敏面的直径相同，且所述光功率计探头的光敏面的面积不小于所述光学针孔的面积。

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