CN1558581A

CN1558581A - 一种光量子真随机源

Info

Publication number: CN1558581A
Application number: CNA2004100160098A
Authority: CN
Inventors: 陈修亮; 周春源; 吴光; 曾和平
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-12-29

Abstract

本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种可以产生量子真随机数序列的随机源，实现保密系统中无序密钥的产生，该随机源利用45°偏振的线偏振光子通过偏振分束器后被随机地分成垂直偏振和水平偏振两路来产生随机数，其主要由光量子真随机数产生部分、光量子真随机数采集部分和随机数处理流程组成，其优点是，结构简单，随机数是根据光量子的随机特性而产生的，所以无法被破译，随机性好，随机采集速度快，应用方便。

Description

一种光量子真随机源

技术领域

本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种可以产生量子真随机数序列的随机源，实现保密系统中无序密钥的产生。

背景技术

随机数在很多应用领域都是一个非常重要的组成部分。从数值计算中的Monte Carlo模拟方法到保密通信系统中密码的产生，以及商业上彩票和博彩机等，随机数都起者非常关键的作用。随着随机数的应用领域不断扩大，随机数的产生方式和随机性能成为大家所关注的问题。基于计算机的一些算法产生伪随机数和利用物理量产生真随机数是两种最为普遍的随机数产生方法。但是由于计算机速度的迅速提高，使得由计算机算法产生随机数很容易被这种算法的逆运算破解。利用物理量观察值本身的随机性获得真随机数的方法，人们可以获得稳定的、随机性良好的随机源，但是由于数据采集难度较大、采集速率较低和不能实现模块化的原因，如利用放射性元素的衰减产生随机数、利用激光光斑图案的空间分布的随机性产生随机源和利用囚禁的单离子共振荧光辐射的光子发射周期的随机性产生随机源等方案都不能得到很广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高速率、便于采集的量子真随机源，这种随机源利用45°偏振的线偏振光子通过偏振分束器后被随机地分成垂直偏振和水平偏振两路来产生随机数。一个光子只能选择一条路径传播，不是垂直偏振就是水平偏振，因此这种随机源的随机性与光量子的随机特性直接相关，具有随机性好、实现起来比较容易和随机数产生速率快等优点。这种量子真随机源是利用光量子的偏振特性，所以可以很方便的通过调节偏振光的偏振方向来调整随机源的随机性。在该量子真随机源中还可以通过使用USB接口进行高速数据采集，使整个量子真随机源系统具备了更方便、更实用化的特点。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

本发明主要由光量子真随机数产生部分、光量子具随机数采集部分和随机数处理流程组成。

光量子真随机数产生部分是由光子发生模块、偏振方向调整器件、偏振分束器件、单光子探测器组成，其中光子发生模块射出的光子，光子经过偏振方向调整器件调整后成为偏振方向一定的准单光子射到偏振分束器件上，经分束后，被两个单光子探测器分别进行探测，探测结果从探测器输出端输出。

光量子真随机数采集部分是由同步信号发生器、延时器和USB接口芯片组成，从同步信号发生器输出两路同步信号，一路接到光量子真随机数产生部分的光子发生模块，另一路通过延时器输入USB接口芯片，单光子探测器的探测结果通过数据线接入到USB接口芯片的数据输入端。

随机数处理流程通过计算机将USB读入的从两个单光子探测器件的输出端输出的两路探测结果根据“一个单光子探测器探测到光子时表示随机数为‘1’(‘0’)，另一个单光子探测器探测到光子时表示随机数为‘0’(‘1’)”的原则合并成一个随机序列，并删除两个单光子探测器都探测到或都没探测到光子的情况。

本发明的优点是，结构简单，随机数是根据光量子的随机特性而产生的，所以无法被破译，随机性好，随机采集速度快，应用方便。

附图概述

附图1为本发明的光量子真随机数产生部分的原理图；

附图2为本发明的光量子真随机数采集部分的原理图；

附图3为本发明的光量子真随机数采集部分的时序图；

附图4为本发明的随机数处理流程图；

附图5为本发明实施例的结构图；

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，本实施例主要由光量子真随机数产生部分、光量子真随机数采集部分和随机数处理流程组成。

光量子真随机数产生部分是由一个光子发生模块、一个偏振方向调整器件、一个偏振分束器件、两个单光子探测器A、B组成，光子发生模块是由激光器和一组衰减片构成的，其中光子发生模块射出的光子，入射到偏振方向调整器件上；光子经过偏振方向调整器件调整后成45°偏振方向的准单光子射到偏振分束器件上，然后被偏振分束器件分为两束偏振方向互相垂直的光束；两个单光子探测器A、B分别对两路准单光子进行探测，两个单光子探测器A、B的探测结果从输出端输出。单光子探测器A探测到光子时表示随机数为‘1’(‘0’)，单光子从探测器B探测到光子时表示随机数为‘0’(‘1’)。通过调整偏振方向调整器件，可以调整从偏振方向调整器件出射的准单光子的偏振方向。适当的偏振方向，使得两束光中含有光子的几率相同，这样可以获得随机性很好的真随机数。

光量子真随机数采集部分是由同步信号发生器、延时器和USB接口芯片组成。从同步信号发生器输出两路同步信号，一路接到光量子真随机数产生部分的光子发生模块作为驱动脉冲，另一路通过一个延时器输入USB接口芯片作为时钟脉冲。两个单光子探测器A、B的探测结果通过数据线接入到USB接口芯片的数据输入端。这样计算机就可以通过USB接口自动地从该量子真随机源读入两个单光子探测器件的探测结果。

随机数处理流程将USB读入的从两个单光子探测器件的输出端输出的两路探测结果根据“单光子探测器A探测到光子时表示随机数为‘1’(‘0’)，单光子探测器B探测到光子时表示随机数为‘0’(‘1’)”的原则合并成一个随机序列，并删除两个单光子探测器A、B都探测到或都没探测到光子的情况。在随机数处理流程中，计算机首先读入两个单光子探测器的探测结果，然后判断两个单光子探测器是否都探测到或都没探测到光子，如果是，就删除这组的数据，继续读入下一组数据；如果否，判断是哪个单光子探测器探测到光子，如果是A，计算机存入随机数为‘1’(‘0’)，是B，计算机存入随机数为‘0’(‘1’)。

在本实施例中，采用一个脉冲激光器和一组衰减片组成了光子发生模块。本实施例使用的偏振方向调整器件是格兰镜(Glan棱镜)，使用的偏振分束器件是偏振分束器(PBS)，使用雪崩光电二极管(APD)探测器作为单光子探测器。本实施例还利用89C51单片机和DS1023延时芯片分别作为同步信号发生器和延时器。使用的USB接口芯片是CYPRESS的CY7C68013USB2.0接口芯片，能够自动在USB1.1和USB2.0之间转换。

半导体激光器通过89C51单片机产生的同步脉冲触发产生光脉冲，通过衰减片组衰减和Glan棱镜的偏振调整形成一个准单光子脉冲。准单光子脉冲通过PBS后被分为两路，分别被两路APD探测器探测。探测结果通过数据线接入CY7C68013芯片的数据输入端，89C51单片机产生的同步脉冲通过DS1023的延时成为CY7C68013芯片的时钟脉冲。

读入的探测结果数据，经过计算机处理得到最终所需要的量子真随机数。本实施例的随机数采集速率可以达到5Mb/s以上。

Claims

1、一种光量子真随机源，其特征在于该随机源主要是由光量子真随机数产生部分、光量子真随机数采集部分和随机数处理流程组成。

2、根据权利要求1所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的光量子真随机数产生部分是由光子发生模块、偏振方向调整器件、偏振分束器件、单光子探测器组成，其中光子发生模块射出的光子，光子经过偏振方向调整器件调整后射到偏振分束器件上，经分束后，被两个单光子探测器分别进行探测，探测结果从输出端输出。

3、根据权利要求1或2所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的光子发生模块射出的光子，在经过偏振方向调整器件调整后，成为偏振方向为45°角的准单光子。

4、根据权利要求1或2所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的光子发生模块是由激光器和一组衰减片构成的。

5、根据权利要求1或2所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的光子发生模块中的激光器为脉冲激光器。

6、根据权利要求1所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的光量子真随机数采集部分是由同步信号发生器、延时器和USB接口芯片组成，从同步信号发生器输出两路同步信号，一路接到光量子真随机数产生部分的光子发生模块，另一路通过延时器输入USB接口芯片，单光子探测器的探测结果通过数据线接入到USB接口芯片的数据输入端。

7、根据权利要求1所述的一种光量子真随机源，其特征在于所述的随机数处理流程是通过计算机将USB读入的从两个单光子探测器件的输出端输出的两路探测结果根据“一个单光子探测器探测到光子时表示随机数为‘1’(‘0’)，另一个单光子探测器探测到光子时表示随机数为‘0’(‘1’)”的原则合并成一个随机序列，并删除两个单光子探测器都探测到或都没探测到光子的情况。