CN1780145A - 一种产生真随机数的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生真随机数的方法及其装置。该方法由信号发生器控制激光器产生脉冲激光，经过可调光衰减器进行衰减，调节可调光衰减器的衰减量，达到平均每十个脉冲含有一个光子，实现衰减后的光子间的时间间隙的完全随机分布。实现该方法的装置包括信号发生器、脉冲激光器、可调光衰减器、单光子探测器、时幅转换仪、光纤和信号延时器，经可调光衰减器衰减后产生的光子由单光子探测器探测，还包括在单光子探测器后依次放置时幅转换仪和多道分析仪，其中时幅转换仪接收信号发生器和单光子探测器的信号后将转换的信号输出给多道分析仪，通过多道分析仪对产生的真随机数的随机性进行观测。

Description

一种产生真随机数的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种产生真随机数的方法及其装置，特别是涉及一种基于光量子的随机性产生真随机数的方法及其装置。

背景技术

真随机数在保密通信、信息安全、身份验证、密码协议、数字签名等领域都有重要的应用。在计算机安全方面最权威的著作《应用密码学》中，共有61个密码学协议，用到随机数的协议就有40多个。怎样产生高质量的随机数是密码学乃至信息安全的重要研究方向。目前，网络安全系统多采用伪随机数，伪随机数是由随机种子根据一定的计算方法计算出来的数值。所以，只要计算方法一定，随机种子一定，所产生的随机数就是固定的。对信息系统来说，用数学方法产生的伪随机数当然不如用物理方法产生的真随机数的安全性好。

国内外有不少科研部门和大公司都在研究和开发用自然界的物理现象来产生随机数的设备。中国专利申请号：02133614.8；发明名称为：“量子随机数发生器及其均匀交替变换标准基的方法”中记载的，量子随机数发生器由二极管激光器，衰减器，菲涅耳组合棱镜，两个雪崩二级管构成的单光子探测器组成(见附图2)。该量子随机数发生器采用二极管激光器作为光子源，经衰减器衰减后被菲涅耳组合棱镜分为两路光，分别使用两个雪崩二级管单光子探测器进行探测。由于光子的路径是随机的，因此两个单光子探测器上探测到光子的可能性也是随机的。在该光路中，为了克服菲涅耳组合棱镜分光的不均匀性，以及两个探测器的不一致性带来的随机不均匀性，设计者采用了均匀交替变换标准基的数据采集方法，该方法虽然可以在一定程度上弥补发生器的随机不均匀性，但没有从根本上消除这一缺陷。而且，该设计采用了菲涅耳组合透镜分光，大大降低了器件的抗干扰能力，因而进一步降低了随机数的质量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有真随机数发生器真随机数质量低、结构复杂、抗干扰能力差的缺点，从而提供一种真随机数的产生方法，该方法通过调节可调光衰减器的衰减量对信号发生器控制激光器产生的脉冲激光进行衰减，使衰减后平均每十个脉冲含有一个光子，由于该光子在十个脉冲的分布是随机的，因此任意二十个脉冲中的两个光子的间隙时间就是随机的，基于该间隙时间而产生真随机数。本发明的目的还在于，提供一种仅采用一个单光子探测器的，结构简单的产生真随机数的装置；该装置抗干扰能力强、便于集成的、且随机数产生速率容易提高，可广泛应用于保密通信、身份验证、密码协议、数字签名等领域。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的产生真随机数的方法，包括利用信号发生器控制脉冲激光器产生脉冲激光，经过可调光衰减器进行衰减，调节可调光衰减器的衰减量，达到平均每十个脉冲含有一个光子，实现衰减后的光子间的时间间隙的完全随机分布，其原理如图1所示；还包括通过多道分析仪或计算机对产生的真随机数进行观测。

所述的信号发生器产生的信号频率的抖动小于该频率的千分之一。

所述的脉冲激光器输出功率的抖动小于该功率的千分之一。

所述的可调光衰减器的衰减精度不低于0.1dB。

本发明提供的产生真随机数的装置，包括信号发生器1、脉冲激光器2、可调光衰减器3、单光子探测器4和信号延时器5，其中信号发生器1有三路输出，一路用于控制脉冲激光器2产生脉冲激光，同步控制激光器2的脉冲激光重复频率和单光子探测器4的门控触发信号；另一路用作控制信号延时器5，第三路控制时幅转换仪7；脉冲激光经光纤6到达可调光衰减器3，衰减后产生的光子经光纤6输入到单光子探测器4进行检测，单光子探测器4的门控信号由信号发生器1发出的信号经信号延时器5提供，如图3所示。

在上述的技术方案中，还包括在单光子探测器4上依次电连接时幅转换仪7和多道分析仪8；其中时幅转换仪7，的输入端接信号发生器1和单光子探测器4的信号，输出端接多道分析仪8，通过多道分析仪8对产生的真随机数进行观测，如图3所示。

在上述的技术方案中，还包括单光子探测器4的门控信号，它由信号发生器1发出的信号经信号延时器5提供，该信号延时器5再与时幅转换仪7电连接，时幅转换仪7的输出连接到多道分析仪8；其中时幅转换仪7的开始与终止信号分别来自信号发生器1和单光子探测器4，并在单光子探测器4上电连接一鉴别放大器9，鉴别放大器9的输出信号输入到时幅转换仪7；还可以再输入到计算机10，如图5所示。

所述的信号发生器1是方波信号发生器。

所述的激光器2是可以接受外部触发的脉冲激光器。

所述的单光子探测器4为工作在低温和门控盖革模式下的雪崩二极管单光子探测器。

所述的延时器5的精度优于1ns，上升沿、下降沿均小于1ns。

所述的可调光衰减器3的衰减度公式为：

$L=-10\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{\mathrm{fhv}}{10p}$

其中

L：代表衰减    单位：dB。

f：激光器的光脉冲重复频率

h：谱朗克常数

υ：激光器产生的激光输出光频率

p：激光器的输出光功率

与现有技术相比，本发明的优越性在于：

1、产生高质量的真随机数。

现有技术将衰减后的光子用菲涅耳组合棱镜分光后，由两个单光子探测器探测，并将得到的随机的光子作为真随机数信号输出，理论上要求菲涅耳组合棱镜绝对均匀以及两个单光子探测器探测效率完全一样，这实际是不可能的，在该光路中，为了克服菲涅耳组合棱镜分光的不均匀性以及两个探测器的不一致性带来的随机不均匀性，设计者采用了均匀交替变换标准基的数据采集方法，该方法虽然可以在一定程度上弥补发生器的随机不均匀性，但没有从根本上消除这一缺陷。本发明提供的产生真随机数的方法，通过调节可调光衰减器的衰减量对信号发生器控制激光器产生的脉冲激光进行衰减，使衰减后平均每十个脉冲含有一个光子，由于该光子在十个脉冲的分布是随机的，因此任意二十个脉冲中的两个光子的间隙时间就是随机的。该方法采用将两光子的间隙时间作为真随机数信号输出，从而从根本上消除了已有技术中的器件不可能绝对理想的缺陷，获得了高质量的真随机数信号输出，如图4所示。

2、抗干扰能力强。

已有技术中采用菲涅耳组合棱镜分光并用两个单光子探测器进行探测，由于器件本身带来的噪声及器件之间的不均等会导致整个装置的抗干扰能力下降。本发明的装置仅采用一个单光子探测器，因此抗干扰能力大大增强。

3、本发明的装置结构简单、容易制造和操作。

附图说明

图1是本发明产生真随机数的方法原理图

图2是已有发明的真随机数发生器的原理图

图3本发明真随机数发生器的一种实施例组成框图

图4是从多道分析仪上观察到的光子间隙时间的随机分布图。

图5是本发明真随机数发生器的一种实施例组成框图

图面说明

1-信号发生器                 2-脉冲激光器

3-可调光衰减器               4-单光子探测器

5-信号延时器                 6-光纤

7-时幅转换仪                 8-多道分析仪

9-鉴别放大器                 10-计算机

DL-二极管激光器              Θ-衰减器

Φ-菲涅耳棱镜组              D1、D2-雪崩单光子探测器

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的方法和装置进行详细地说明：

按照图1、3、5制作一台真随机数发生器及其检测装置，其部件选用如下：

信号发生器1：Systron Donner 110D型脉冲发生器，产生TTL信号，频率1MHz。该信号发生器1产生的信号频率的抖动小于该频率的千分之一的。

脉冲激光器2：脉冲半导体激光器，波长1310nm，脉冲宽度小于100ns，平均功率约50μW，尾纤输出，可接受外部时钟触发。

衰减器3：OC-60型，机械可调及法兰式衰减器组成，整个可调范围15-100dB，精度0.1dB。

单光子探测器4：JDS Uniphase EPM239AA型InGaAs雪崩光二极管探测器，尾纤输入，工作于低温和盖革模式下，自制抑制电路及有源驱动电源。

信号延时器5：其DS1023-25型芯片，延时精度为0.25ns即可。

光纤6：单模通信光纤。

时幅转换仪7：EG&G Ortec公司567型，作用是将时间差转化为相应的电压幅度。

多道分析仪8：北京核仪器厂BH1224型，作用是将不同的电压幅度显示在不同的道址上。

鉴别放大器9：EG&G Ortec公司1121A型

参考图3或5，信号发生器1产生1MHz的TTL信号，分为三路，其中一路输入半导体激光器2，用作控制脉冲半导体激光器2输出脉冲激光，同步控制激光器2的脉冲激光重复频率和单光子探测器4的门控触发信号；另一路输入信号延时器5，用作控制信号延时器5，同时信号发生器1还与时幅转换仪7点连接，即信号发生器1产生1MHz的第三路TTL信号控制时幅转换仪7；半导体激光器2通过光纤6与可调光衰减器3和单光子探测器4连接；脉冲激光经光纤6到达可调光衰减器3，可调光衰减器的衰减度约为90dB；衰减后产生的光子经光纤6输入到单光子探测器4进行检测，单光子探测器4采用半导体制冷片制冷到-55℃，工作于门控盖革模式下；单光子探测器4的门控信号由信号发生器1发出的信号经信号延时器5提供，门控信号延时器5提供的门宽为200ns，工作电压超过雪崩电压1V；整个光路和接头的损耗约5dB。单光子探测器4的输出用作时幅转换仪7的结束信号，时幅转换仪7的开始信号来自于信号发生器1的1MHz同步时钟，分析时间范围设为2μs。时幅转换仪7接收到开始信号后，立即处于工作状态，等待在分析范围内到来的结束信号，结束信号包括有效的光信号以及探测器的暗噪声。若在分析时间内没有结束信号的到来，就恢复原状态，等待开始信号的到来，且不输出任何信号。若在分析时间内有结束信号的到来，就输出幅度与开始信号至结束信号时间差成正比的一个直流电压信号，在一个分析时间范围内，输出一个电平信号。将此信号输入到多道分析仪8(设定量程为4096道)，不同幅度的电压显示在不同的道址上。经过时间积累，就可在多道分析仪的界面上看到如附图4所示的图形。两个峰是单光子探测器探测到的光子信号，其余水平部分是由于暗噪声引起的。峰的高度一样，说明在时幅转换仪的2μs分析时间范围内，相对于开始信号有两种时间不同且以相同的概率到达的光子。即相对于开始信号t(0＜t＜1μs)与(t+1)μs两个时刻，会以相同的概率出现光子。规定在t时刻到达的光子记“0”，在(t+1)μs时刻到达的光子记“1”，这样，得到的序列就是一个真随机的二进制序列。按上述光路和电路接好后，通过微调可调光衰减器3，即可在多道分析仪上观察到从单光子探测器4输出的真随机数序列，或者利用计算机10进行观测。

在本实施例提供的装置上实施产生真随机数的方法：包括利用该装置中的信号发生器1；信号发生器1控制一半导体脉冲激光器2产生波长1310nm，脉冲宽度小于100ns，平均功率约50μW的脉冲激光，该脉冲激光器输出功率的抖动小于该功率的千分之一；经过调节可调光衰减器3进行衰减，所述的可调光衰减器的衰减精度不低于0.1dB；调节该可调光衰减器3的衰减量，达到平均每十个脉冲含有一个光子，由于该光子在十个脉冲的分布是随机的，因此任意二十个脉冲中的两个光子的间隙时间就是随机地产生真随机数了(参考图1)。然后再通过多道分析仪8对产生的真随机数进行观测。单光子探测器4的门控信号，由信号发生器1发出的信号经信号延时器5提供；在单光子探测器4的输出信号输入鉴别放大器9，鉴别放大器9的输出信号输入到时幅转换仪7的终止信号输入端，时幅转换仪7的输出电压输入到多道分析仪8，或者输入到计算机10采集数据。

Claims (10)

1.一种产生真随机数的方法，其特征在于，包括利用信号发生器控制脉冲激光器产生脉冲激光，经过可调光衰减器进行衰减，调节可调光衰减器的衰减量，达到平均每十个脉冲含有一个光子，实现衰减后的光子间的时间间隙的完全随机分布；然后通过多道分析仪或计算机对产生的真随机数进行观测。

2.根据权利要求书1所述的产生真随机数的方法，其特征在于：所述的信号发生器产生的信号重复频率的抖动小于该频率的千分之一。

3.根据权利要求书1所述的产生真随机数的方法，其特征在于：所述的激光器输出功率的抖动小于该功率的千分之一

4.一种产生真随机数的装置，包括信号发生器(1)、脉冲激光器(2)、可调光衰减器(3)、单光子探测器(4)；其特征在于：还包括信号延时器(5)和光纤(6)，其中信号发生器(1)分为三路输出，一路用于控制脉冲激光器(2)产生脉冲激光，另一路用作控制信号延时器(5)，第三路控制时幅转换仪(7)；脉冲激光经光纤(6)到达可调光衰减器(3)，衰减后产生的光子经光纤(6)输入到单光子探测器(4)进行检测，单光子探测器(4)的门控信号由信号发生器(1)发出的信号经信号延时器(5)提供。

5.根据权利要求书4所述的产生真随机数的装置，其特征在于：还包括在单光子探测器(4)上依次电连接时幅转换仪(7)和多道分析仪(8)或计算机(10)；其中时幅转换仪(7)的输入端接信号发生器(1)和单光子探测器(4)的信号，输出端接多道分析仪(8)，通过多道分析仪(8)或计算机(10)对产生的真随机数进行观测。

6根据权利要求书4或5所述的产生真随机数的装置，其特征在于：所述的信号发生器(1)的信号重复频率的抖动小于该频率的千分之一。

7.根据权利要求书4或5所述的产生真随机数的装置，其特征在于：所述的脉冲激光器(2)包括半导体脉冲激光器或其他脉冲激光器。

8.根据权利要求书4或5所述的产生真随机数的装置，其特征在于：所述的单光子探测器(4)为工作在低温和门控盖革模式下的雪崩二极管单光子探测器。

9.根据权利要求书4或5所述的产生真随机数的装置，其特征在于：所述的延时器的精度优于1ns，上升沿、下降沿均小于1ns。

10根据权利要求书1所述的产生真随机数的装置，其特征在于：所述的可调光衰减器的衰减精度不低于0.1dB。

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