CN115987510A - 一种基于随机相位的量子随机数发生器及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机相位的量子随机数发生器及生成方法，随机数发生器包括至少两个随机相位发生单元和相干探测器，至少两个随机相位发生单元均分别与相干探测器连接，每个随机相位发生单元均包括开关，开关被按照预设顺序开启，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，两两开关被开启的时机需满足：其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；相干探测器用于探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于生成随机数。本发明利用激光器受激辐射，竞胜出的自发辐射光子的相位具有随机、不可预测性，基于此构建随机数发生器，生成真随机数。

Description

一种基于随机相位的量子随机数发生器及生成方法

技术领域

本发明涉及量子安全通信技术领域，尤其涉及一种基于随机相位的量子随机数发生器及生成方法。

背景技术

现代社会中，随机数被广泛应用于仿真模拟、密码学、量子信息等领域。依照生成原理的不同，随机数可分为真随机数和伪随机数两大类。伪随机数在一定范围内具有自相关性，因此可以被预测。

对于现有的随机数发生器而言，大多生成的都是伪随机数，伪随机数虽然具有类似真随机数的统计特征，但它们实际上是可以通过某种周期性规则进行计算出来的；还有一小部分的随机数发生器可以生成真随机数。对于现有的生成真随机数的发生器而言，基本都是采用复杂的电路，或复杂的仪器组合，来完成真随机数的生成。复杂电路或复杂仪器组合形成的随机数发生器往往具有操作复杂，制作困难，并且成本高的特点。

鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，解决上述技术问题，是本技术领域待解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何解决现有生成真随机数的发生器结构复杂带来的操作复杂、制作困难，以及成本高的问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种基于随机相位的量子随机数发生器，包括至少两个随机相位发生单元和相干探测器，至少两个所述随机相位发生单元均分别与所述相干探测器连接，每个所述随机相位发生单元均包括开关，其中，所述开关被按照预设顺序开启，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中，两两开关被开启的时机需满足：其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；

所述相干探测器用于探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

优选的，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括一个泵浦激光器、分束器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；

所述泵浦激光器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述分束器的其中一个输出端通过第一开关与所述第一单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第一单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的其中一个输入端连接；

所述分束器的另一个输出端通过第二开关与所述第二单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第二单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的另一个输入端连接；

其中，所述泵浦激光器、所述分束器、第一开关和第一单频光纤激光谐振器构成第一随机相位发生单元；

所述泵浦激光器、所述分束器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器构成第二随机相位发生单元。

优选的，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；

所述第一泵浦激光器、所述第一开关和所述第一单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第一随机相位发生单元，其中，所述第一单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接；

所述第二泵浦激光器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第二随机相位发生单元，其中，所述第二单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接。

优选的，所述相干探测器与对应单频光纤激光谐振器之间的信道长度小于对应随机相位发生单元的相干长度。

优选的，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元；

所述第一随机相位发生单元包括第一单频半导体激光器和第一电流调控器，所述第一电流调控器与所述第一单频半导体激光器连接，所述第一单频半导体激光器与所述相干探测器连接；

所述第二随机相位发生单元包括第二单频半导体激光器和第二电流调控器，所述第二电流调控器与所述第二单频半导体激光器连接，所述第二单频半导体激光器与所述相干探测器连接；

其中，所述第一电流调控器和所述第二电流调控器分别作为相应随机相位发生单元中的开关。

优选的，所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关被交替开启；

所述相干探测器用于探测第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第一随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，以提高随机数生成的效率。

第二方面，本发明在基于随机相位的量子随机数发生器的基础上，还提出了一种基于随机相位的量子随机数的生成方法，所述生成方法包括：

按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；

相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

优选的，按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号包括：

同时开启全部的随机相位发生单元中的开关；或，

在预设时间内，将其中一个随机相位发生单元的开关处于开启状态，间歇性开启其他随机相位发生单元的开关；或，

交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭。

优选的，所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关；

所述交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭，具体包括：

设定所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关的开关周期，以控制各个开关按照给定的开关周期循环开启或关闭；

先开启所述第二开关，在所述第二开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第三开关；

在所述第三开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第一开关，以将各个开关的开关周期错开。

优选的，所述第一随机相位发生单元作为激光输出上臂，所述第二随机相位发生单元作为激光输出中臂，第三随机相位发生单元作为激光输出下臂；

所述相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数包括：

在中臂关闭前和下臂刚稳定建立时进行第一次采样，得到中臂和下臂的相位差，获得第一随机数；

在下臂关闭前和上臂刚稳定建立时进行第二次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第二随机数；

在上臂关闭前和中臂刚稳定建立时进行第三次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第三随机数；如此循环，得到多个随机数。

本发明所采取的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明激光器从自发辐射建立受激辐射的过程，是谐振腔模式竞争的结果,竞争胜出的振荡纵模对应的起始自发辐射光子，其相位具有随机性，且不可被预测，利用激光器振荡初始相位随机的特点，构建本发明的随机数发生器，生成真随机数。本发明不要复杂的电路或复杂的仪器组合，只需要几个简单的器件组合就能形成本发明的随机数发生器，本发明的随机相位的量子随机数发生器结构简单、成本低，制作容易。

附图说明

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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数发生器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数发生器的一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数发生器的又一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数发生器的还一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数的生成方法流程图；

图6为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数的生成方法的两个开关同步开启对应的时序图；

图7为本发明实施例提供的一种基于随机相位的量子随机数的生成方法的两个开关异步开启对应的时序图；

图8为本发明实施例提供的具有分束器的三路随机相位发生单元的量子随机数发生器结构式示意图；

图9为本发明实施例提供的具有分束器的三路随机相位发生单元的量子随机数发生器对应的时序图；

图10为本发明实施例提供的直接使用现有相干设备获取量子随机数的具体应用场景示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供一种基于随机相位的量子随机数发生器，如图1所示，包括至少两个随机相位发生单元和相干探测器，至少两个所述随机相位发生单元均分别与所述相干探测器连接，每个所述随机相位发生单元均包括开关，其中，所述开关被按照预设顺序开启，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中，两两开关被开启的时机需满足：其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；

所述相干探测器用于探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

如图1所示，本发明的量子随机数发生器设置有相干探测器和随机相位发生单元，通过随机相位发生单元内的激光器振荡初始相位随机的特点，构建随机数发生器，其中，相干探测器主要用于检测随机相位发生单元内激光器的相位(或两随机相位发生单元内激光器的相位差)。通过将至少两个随机相位发生单元都接入相干探测器内，每个随机相位发生单元内设置有开关，通过设置开关开启的时间和顺序，以及关断的时间和顺序，并保证刚好只触发两个随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，通过相干探测器检测两个随机相位发生单元产生的相位差，生成随机数。值得注意的是，本发明实施例的随机相位发生单元谐振建立需要一定的时间，稳定状态表示随机相位发生单元建立起稳定的谐振状态。本发明的随机相位发生单元内所包括的开关根据随机相位发生单元内的组成结构进行选择，后续会详细阐述不同情况下所选取的开关类型不一样，在此不过多说明。除此之外，本发明实施例生成的随机数是由相干探测器生成的，本质上是直接由相位差生成的。随机性源于发生器生成的随机相位差，最终通过相干探测器检出这种随机性，以电信号的形式输出为随机比特，整个检测和输出过程都是由相干探测器完成。

本发明利用激光器振荡初始相位随机的特点，构建随机数发生器。只需要至少两个随机相位发生单元和相干探测器就能组成本发明的量子随机数发生器，结构简单，制作容易，成本低。

本发明实施例通过灵活的调整随机相位发生单元内的组成器件的搭配，确保实现所使用的所有随机相位发生单元中，每次刚好有两个随机相位发生单元能产生谐振随机相位的光信号，通过相干探测器的检测两谐振随机相位的相位差，生产随机数。为了阐述本发明实施例完整的方案，接下来对本发明细节做详细的描述。

如图2所示，当本发明所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括一个泵浦激光器、分束器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；所述泵浦激光器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述分束器的其中一个输出端通过第一开关与所述第一单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第一单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的其中一个输入端连接；所述分束器的另一个输出端通过第二开关与所述第二单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第二单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的另一个输入端连接；其中，所述泵浦激光器、所述分束器、第一开关和第一单频光纤激光谐振器构成第一随机相位发生单元；所述泵浦激光器、所述分束器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器构成第二随机相位发生单元。

如图2所示，本发明实质是激光器自发辐射建立受激辐射，通过谐振腔模式竞争，利用竞争胜出振荡纵模对应的起始自发辐射光子的相位具有随机性，且不可被预测性，来构建本发明实施例的量子随即数发生器；因此，对于第一随机相位单元和第二随即相位单元的作用都是产生谐振随机相位的光信号，通过产生的两路谐振随机相位信号进行竞争，产生相位差，进而生成随机数。对于图2而言，本发明实施例只需要使用一个泵浦激光器，利用分束器的作用，将泵浦激光器产生的泵浦光一分为二，分成第一分束泵浦光和第二分束泵浦光，使得图2对应的量子随机数发生器能产生两路谐振随机相位的光信号。当选用泵浦激光器时，对应的开关具体选用光开关来控制谐振的初始化，分束器与第一单频光纤激光谐振器之间设置有第一光开关，分束器与第二单频光纤激光谐振器之间设置有第二光开关，当第一光开关和第二光开关同时开启并稳定时，第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器传输对应的谐振随机相位的光信号至相干探测器内，通过相干探测器检测两者的相位差，生成随机数。值得注意的是，对于图2中的第一光开关和第二光开关的功能也可以通过直接控制泵浦源的电源开关来实现。除此之外，对于分束器分束出的第一分束光和第二分束光最佳分束比为1∶1。

分束器的主要作用是将泵浦激光器产生的泵浦光分束成两束泵浦光，以便于形成相位差。如图3所示，本发明实施例也可以不使用分束器，直接使用第一泵浦激光器和第二泵浦激光器替代图2中的泵浦激光器和分束器，则本发明图3中所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；所述第一泵浦激光器、所述第一开关和所述第一单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第一随机相位发生单元，其中，所述第一单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接；所述第二泵浦激光器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第二随机相位发生单元，其中，所述第二单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接。图3中的量子随机数发生器与图2中的量子随机数发生器的区别在于：图3直接利用第一泵浦激光器和第二泵浦激光器分别产生两束泵浦光，而图2利用一个泵浦激光器和一个分束器生成两束泵浦光，其它器件两者完全相同，对于图3中的原理和图2中生成随机数的原理基本保持一致，在此不做赘述。值得注意的是，为了保证本发明能正常的量子随机数发生器能生成随机，本发明所述相干探测器与对应单频光纤激光谐振器之间的信道长度小于对应随机相位发生单元的相干长度，以保证从发射单元发出的光到探测点仍保持相干性。如果信道长度太长，发射单元的光经过长距离传输后会退相干，这样会影响探测精度。反过来讲，发射单元最好具有较长的相干长度，以支持长距离传输后其相位仍可被有效探测。

本发明还可以使用单频半导体激光器结合电流调控器组成随机相位发生单元，产生谐振随机相位的光信号。如图4所示，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元；所述第一随机相位发生单元包括第一单频半导体激光器和第一电流调控器，所述第一电流调控器与所述第一单频半导体激光器连接，所述第一单频半导体激光器与所述相干探测器连接；所述第二随机相位发生单元包括第二单频半导体激光器和第二电流调控器，所述第二电流调控器与所述第二单频半导体激光器连接，所述第二单频半导体激光器与所述相干探测器连接；其中，所述第一电流调控器和所述第二电流调控器分别作为相应随机相位发生单元中的开关。值得注意的是，本发明实施例图4中使用的是半导体单频激光器，不同于图2和图3中的泵浦激光器+光纤谐振器的方式，图4中的半导体激光器是直接由电流泵浦(电驱动)。因此对其进行开关是直接由给它加电的电源开关进行控制。对应的是图2和图3中泵浦激光器+第一/第二开关的功能。

除此之外，为了提高本发明产生随机数的效率，本发明实施例基于图2的量子随机发生器的基础上，增加一路产生谐振随机相位光信号的随机相位发生单元。增加一路随机相位发生单元后的所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关被交替开启；所述相干探测器用于探测第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第一随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，以提高随机数生成的效率。图4的量子随机数发生器通过三路随机相位发生单元内的开关(此时开关为光开关)交替开启，并且每次确保有两路产生谐振随机相位光信号；通过增加随机相位发生单元的路数，进行交替循环采样，不需要进行关断，可以省去每次采样所需要停留的时间(对于只有两路随机相位发生单元的量子随机发生器而言，每次采样后，需要进行关断，然后开启待两路所产生的谐振随机相位的光信号稳定后再进行采样)。值得注意的是，本发明也可以将随机相位发生单元增加至三路以上，以作备用或循环；但从节能的角度而言，通常只采取三路随机相位发生单元，来提高随机数采样的效率。

本发明利用激光器振荡初始相位随机的特点，构建真随机数发生器。只需要至少两个随机相位发生单元和相干探测器就能组成本发明的量子随机数发生器；除此之外，本发明的随机相位发生单元内的器件可以根据实际情况进行选取搭配，以适应不同的场景。本发明的量子随机随机数发生器结构简单，制作容易，成本低。

实施例2：

结合前述实施例1，本实施例提供一种基于随机相位的量子随机数的生成方法，该方法应用在实施例1中的基于随机相位的量子随机数发生器上，如图5所示，该生成方法包括：

步骤201：按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭。

本发明实施例生成随机数时，需要保证有两路随机相位发生单元开启，并建立稳定状态下，以便于两路随机相位发生单元产生稳定的谐振随机相位的光信号，以便于产生相位差。值得注意的是，对于开关的类型而言，预设顺序根据随机相位发生单元各器件的排列，以及所选取随机相位发生单元的数量进行确定，所述按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号包括：同时开启全部的随机相位发生单元中的开关；或，在预设时间内，将其中一个随机相位发生单元的开关处于开启状态，间歇性开启其他随机相位发生单元的开关；或，交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；但不论怎样设置，都需要确保有能产生两路谐振随机相位的光信号，以便于后续能产生相位差。

步骤202：相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

本发明通过相干探测器检测两路谐振随机相位的光信号的相位差，生成随机数。其中，所生成的随机数为真随机数。

对于只有两路随机相位发生单元的随机相位发生单元的量子随机数发生器而言存在两种生成方式：如图6所示，第一种，同时开启对应的两个开关，使两路随机相位发生单元同时接入产生两路谐振随机相位的光信号，通过相干探测器探测两路光信号的相位差，生成随机数；第二种，如图7所示，先开启一个开关并保持开启状态，待开启的开关对应路的随机相位发生单元产生稳定状态的谐振随机相位的光信号后，开启另一个开关，待另一个开关对应的随机相位发生单元产生稳定状态的谐振随机相位的光信号后，利用相干探测器检测两路光信号的相位差，生成随机数。

为了提高生成随机数的效率，通常需要选用具有三路或三路以上的随机相位发生单元的量子随机数发生器。接下来以具有三路随机相位发生单元的量子随机数发生器为例，说明三路或三路以上的随机相位发生单元的量子随机数发生器生成随机数的方法，具体的：所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关；所述交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭，具体包括：设定所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关的开关周期，以控制各个开关按照给定的开关周期循环开启或关闭；先开启所述第二开关，在所述第二开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第三开关；在所述第三开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第一开关，以将各个开关的开关周期错开。

以具有分束器的三路随机相位发生单元的量子随机发生器为例，如图8和图9所示，所述第一随机相位发生单元作为激光输出上臂，所述第二随机相位发生单元作为激光输出中臂，第三随机相位发生单元作为激光输出下臂；

所述相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数包括：

在中臂关闭前和下臂刚稳定建立时进行第一次采样，得到中臂和下臂的相位差，获得第一随机数；

在下臂关闭前和上臂刚稳定建立时进行第二次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第二随机数；

在上臂关闭前和中臂刚稳定建立时进行第三次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第三随机数；如此循环，得到多个随机数。

当本发明选用具有三路或三路以上的随机相位发生单元的量子随机数发生器时，采用循环操作进行采样，相对于两路的随机相位发生单元的量子随机数发生器，可以省去采样等待的时间，可以提升采用速率。

实施例3：

本发明实施例3在实施例1和实施例2的基础上，还提出了一种具体的应用场景：对于已经部署相干光通信系统的两地A和B，可通过如图10所示的方式，无需额外资源的情况下方便地获取量子随机数。

如图10所示，A、B两地已相干光通信互通，两地均已有本地相干光收发设备。此时两终端先对齐光频，随即使用图4或图5的方式进行随机数获取操作。优选在接收端本地使用开关，例如若A端需要制备随机数，则使B端始终开启，在A端本地调控单频激光器开关，获取随机数，如此操作稳定性更强，码率更高。需要注意的是，A、B端已相干光通信互通，则已隐含两者距离小于光源相干长度，保证本方案可正常实施。同样，也可基于图8方案实现远端部署，或在需要实现加密通信的两地部署图10方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，包括至少两个随机相位发生单元和相干探测器，至少两个所述随机相位发生单元均分别与所述相干探测器连接，每个所述随机相位发生单元均包括开关，其中，所述开关被按照预设顺序开启，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中，两两开关被开启的时机需满足：其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；

所述相干探测器用于探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

2.根据权利要求1所述的基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括一个泵浦激光器、分束器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；

所述泵浦激光器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述分束器的其中一个输出端通过第一开关与所述第一单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第一单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的其中一个输入端连接；

所述分束器的另一个输出端通过第二开关与所述第二单频光纤激光谐振器的输入端连接，所述第二单频光纤激光谐振器的输出端与所述相干探测器的另一个输入端连接；

其中，所述泵浦激光器、所述分束器、第一开关和第一单频光纤激光谐振器构成第一随机相位发生单元；

所述泵浦激光器、所述分束器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器构成第二随机相位发生单元。

3.根据权利要求1所述的基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元，所述量子随机数发生器包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一开关、第二开光、第一单频光纤激光谐振器和第二单频光纤激光谐振器；

所述第一泵浦激光器、所述第一开关和所述第一单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第一随机相位发生单元，其中，所述第一单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接；

所述第二泵浦激光器、第二开关和第二单频光纤激光谐振器依次连接，以构成第二随机相位发生单元，其中，所述第二单频光纤激光谐振器与所述相干探测器连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，所述相干探测器与对应单频光纤激光谐振器之间的信道长度小于对应随机相位发生单元的相干长度。

5.根据权利要求1所述的基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器具体包括第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元；

所述第一随机相位发生单元包括第一单频半导体激光器和第一电流调控器，所述第一电流调控器与所述第一单频半导体激光器连接，所述第一单频半导体激光器与所述相干探测器连接；

所述第二随机相位发生单元包括第二单频半导体激光器和第二电流调控器，所述第二电流调控器与所述第二单频半导体激光器连接，所述第二单频半导体激光器与所述相干探测器连接；

其中，所述第一电流调控器和所述第二电流调控器分别作为相应随机相位发生单元中的开关。

6.根据权利要求1所述的基于随机相位的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关被交替开启；

所述相干探测器用于探测第一随机相位发生单元和第二随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第一随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，或用于探测第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，以提高随机数生成的效率。

7.一种基于随机相位的量子随机数的生成方法，其特征在于，所述生成方法应用在如权利要求1-6任一项所述的基于随机相位的量子随机数发生器上，所述生成方法包括：

按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号，其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭；

相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数。

8.根据权利要求7所述的基于随机相位的量子随机数的生成方法，其特征在于，按照预设顺序开启相应的开关，以触发相应的随机相位发生单元产生谐振随机相位的光信号包括：

同时开启全部的随机相位发生单元中的开关；或，

在预设时间内，将其中一个随机相位发生单元的开关处于开启状态，间歇性开启其他随机相位发生单元的开关；或，

交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭。

9.根据权利要求8所述的基于随机相位的量子随机数的生成方法，其特征在于，所述量子随机数发生器包括第一随机相位发生单元、第二随机相位发生单元和第三随机相位发生单元，所述第一随机相位发生单元包括第一开关、所述第二随机相位发生单元包括第二开关，所述第三随机相位发生单元包括第三开关；

所述交替开启全部的随机相位发生单元中的开关，以使得其中一个随机相位发生单元的稳定状态建立后，另一个随机相位发生单元还未被关闭，具体包括：

设定所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关的开关周期，以控制各个开关按照给定的开关周期循环开启或关闭；

先开启所述第二开关，在所述第二开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第三开关；

在所述第三开关的第一个开关周期的关断信号到来之前开启所述第一开关，以将各个开关的开关周期错开。

10.根据权利要求9所述的基于随机相位的量子随机数的生成方法，其特征在于，所述第一随机相位发生单元作为激光输出上臂，所述第二随机相位发生单元作为激光输出中臂，第三随机相位发生单元作为激光输出下臂；

所述相干探测器探测两两随机相位发生单元所产生的光信号的谐振随机相位之间的差值，得到相位差，以便于根据相位差生成随机数包括：

在中臂关闭前和下臂刚稳定建立时进行第一次采样，得到中臂和下臂的相位差，获得第一随机数；

在下臂关闭前和上臂刚稳定建立时进行第二次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第二随机数；

在上臂关闭前和中臂刚稳定建立时进行第三次采样，得到下臂和上臂的相位差，获得第三随机数；如此循环，得到多个随机数。

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