CN209433389U - 一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，波分器件的输入端与多纵模激光器相连接，波分器件用于将多纵模激光器发射的光分成至少两路的不同中心波长的光，波分器件的输出端的每一路可根据需求均与一个干涉仪的输入端连接；干涉仪的输出端与接收探测模块的输入端相连接，接收探测模块具有与干涉仪的数量一致的通道，每个通道均连接一个干涉仪；接收探测模块的输出端与数据采集处理模块的输入端相连接。因此，利用多纵模激光器的光谱特点，将一个激光器发射的含有多种谱线的光波通过波分器件分成多路不同中心波长的光波，多通道并行工作，提高了量子随机数的产生速率。

Description

一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置

技术领域

本申请涉及量子随机数产生技术领域，尤其涉及一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置。

背景技术

随机数在数值计算、统计分析、蒙特卡罗模拟、博彩业、码分多址系统、数字通信、雷达测试、遥控遥测、量子力学基础检验、网络验证码等诸多方面起着非常重要的作用,在密码学中也有着广泛的应用，现代经典密码技术和量子密码技术中的基础就是随机数。

从原理上来看，随机数可以分为两类即伪随机数和真随机数。伪随机数是通过给定初始值，然后运用某种算法生成的，可以通过一些随机性的统计测试，获取方式简单，因此被广泛应用。但顾名思义，伪随机数不是完全随机的随机数，它通过特定演算推导后可准确预测，因此在许多较高安全保护领域，伪随机数非常难以满足需求。

利用经典物理过程，如电路的热噪声、放射性元素衰变、FPGA电子元件噪声等可以产生真随机数。这些随机数是基于物理过程而不是数学算法，它们可以克服计算能力的攻击，但是这些随机数据都是基于经典物理过程而获得的，经典物理过程可能被攻击者所影响，因而其随机性在本质上无法得到保证。20世纪初发展起来区别于经典物理学的量子物理学，其基本原理便是不确定性，我们利用这一不确定性的基本原理可以产生完全的量子随机数，即真随机数。

经过多年的发展目前已经有多种量子随机数发生器方案，例如基于单光子路径选择方案、基于光子到达时间的方案、基于真空态涨落的方案、基于激光器相位噪声的方案等。

随着信息社会的发展，高速率、低成本的量子随机数的需求越来越强烈。提高量子随机数的产生速率现有方法大多是通过多路单纵模光源（如单纵模DFB激光器）并行发生，因此该方案需要使用多光源，光源的使用率低。

发明内容

本申请提供一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，以解决现有的量子随机数发生装置需要使用多光源，光源的使用率低。

一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，包括：多纵模激光器、波分器件、若干个干涉仪、接收探测模块以及数据采集处理模块；

所述波分器件的输入端与所述多纵模激光器相连接，所述波分器件用于将多纵模激光器发射的光分成至少两路的不同中心波长的光，所述波分器件的输出端的每一路可根据需求均与一个干涉仪的输入端连接；

干涉仪的输出端与所述接收探测模块的输入端相连接，所述接收探测模块具有与干涉仪的数量一致的通道，每个通道均连接一个干涉仪；

所述接收探测模块的输出端与数据采集处理模块的输入端相连接。

优选地，所述波分器件为1×N的AWG滤波器，其中N≥2，N为正整数。

优选地，所述接收探测模块包括光电探测器、放大器以及模数转化器；

所述光电探测器用于将接收的光信号转变为相应的电信号；

所述放大器用于将电信号放大成幅值合适的电压信号；

所示模数转化器用于将电压信号处理成数字信号。

优选地，所述光电探测器为光电二极管。

优选地，所述数据采集处理模块的平台为FPGA、DSP、GPU或CPU。

优选地，当多纵模激光器发射周期脉冲光时，所述干涉仪的两臂的长度差值可使得相差整数个周期的脉冲光发生干涉。

由以上方案可知，本申请提供一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，包括：多纵模激光器、波分器件、若干个干涉仪、接收探测模块以及数据采集处理模块；所述波分器件的输入端与所述多纵模激光器相连接，所述波分器件用于将多纵模激光器发射的光分成至少两路的不同中心波长的光，所述波分器件的输出端的每一路可根据需求均与一个干涉仪的输入端连接；干涉仪的输出端与所述接收探测模块的输入端相连接，所述接收探测模块具有与干涉仪的数量一致的通道，每个通道均连接一个干涉仪；所述接收探测模块的输出端与数据采集处理模块的输入端相连接。

因此，本申请提供的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置是利用多纵模激光器的光谱特点，将一个激光器发射的含有多种谱线的光波通过波分器件分成多路不同中心波长的光波，多通道并行工作，提高了量子随机数的产生速率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。

图1 为本申请的一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置的结构示意图；

图2为本申请的一种接收探测模块通道的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

请参阅图1所示的示意图，本申请提供一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，包括：多纵模激光器1、波分器件2、若干个干涉仪3、接收探测模块4以及数据采集处理模块5；所述波分器件2的输入端与所述多纵模激光器1相连接，所述波分器件2用于将多纵模激光器1发射的光分成至少两路的不同中心波长的光，所述波分器件2的输出端的每一路可根据需求均与一个干涉仪3的输入端连接；干涉仪3的输出端与所述接收探测模块4的输入端相连接，所述接收探测模块4具有与干涉仪3的数量一致的通道，每个通道均连接一个干涉仪3；所述接收探测模块4的输出端与数据采集处理模块5的输入端相连接。

本申请的多纵模激光器1发射的光的光谱有很多谱线，对应于多个波长，所述波分器件2的滤波通道与谱线的峰值对应，因此波分器件2的任意两通道间的中心波长不同，可将多纵模激光器1输出的宽谱光分波形成多路不同中心波长的光脉冲，即将一个多纵模激光器1发射的光源分成N个不同中心波长的子光源使用。

所述干涉仪3用于使光脉冲发生干涉，从而将脉冲激光信号的相位涨落转换为干涉光信号的强度涨落。接收探测模块4将干涉光信号转换为模拟电信号，模拟信号经放大后，模数转化器将模拟信号转换为数字信号输出。数据采集处理模块5用于采集所述接收探测模块4产生的数字信号，将多个通道获得的数字信号穿插排列或按顺序排列方式进行多路复用采集，形成二进制比特串，进行随机数提取并生成量子随机数。

本申请的接收探测模块4的通道数量至少两个，即接收探测模块4的通道为多个，多个干涉仪3与多个通道并行连接，此方式能够提高随机数的产生效率。

因此，本申请提供的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置是利用多纵模激光器1的光谱特点，将一个激光器发射的含有多种波形的光波通过波分器件分成多路不同中心波长的光波，形成多路激光光源同时工作，大大提高了光源的利用率，多通道并行工作，提高了量子随机数的产生速率。

所述波分器件2为1×N的AWG滤波器，其中N≥2，N为正整数。N的数值可以根据需求的光路数量设置波分器件2的参数，或者选择规格适合的波分器件2。当然N的数值也可以大于需求的光路数量，只要从中选择需要的光路数量，在这些选择出的光路上每路均连接一个所述干涉仪3即可。

其中，所述接收探测模块4的结构如图2所示的示意图，该接收探测模块4包括光电探测器401、放大器402以及模数转化器403；所述放大器402的输入端与所述光电探测器401的输出端连接，所述放大器402的输出端与所述模数转化器403的输入端连接。其中，所述光电探测器401为光电二极管，所述光电二极管包括PIN光电二极管或雪崩光电二极管，所述光电二极管可以是电流输出型或电压输出型。

所述数据采集处理模块5的平台为FPGA、DSP、GPU或CPU。这些芯片均可根据数字信号形成部分随机的二进制比特串，然后利用快速傅里叶变换的特普利茨-哈希等函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。部分随机的二进制比特串是由包含经典噪声和量子噪声共同产生的，需要提取来自于量子噪声的量子随机数，利用统计测试可以估计出最小熵的大小，然后经过后处理即随机性提取得到的量子随机数。

本申请的多纵模激光器1可以发射直流光，也可以发周期脉冲光。当发直流光时，激光器的工作电流设置在低于阈值电流附近，发出的光为自发辐射光，此时，所述干涉仪3不需要做光程差设定。当多纵模激光器1发射周期脉冲光时，激光器的工作电流设置高于阈值电流，发出的光为受激辐射光，所述干涉仪3需要做光程差设定，光程差必须满足使任意周期间隔的光脉冲可以发生干涉，即干涉仪3的两臂的长度差值可使得该周期光发生干涉。具体而言，干涉仪3的臂长差可以有多种选择，均只需要使相差整数个周期的脉冲光发生干涉即可，也就是说，可以根据相差不同的整数个周期进行选择干涉仪3的臂长差，例如，在某一光路中，干涉仪3的两臂长度可以选择使得该光路中前后相差两个周期的光脉冲发生干涉，也可以选择使得前后相差五个周期的光脉冲发生干涉。除此之外，本申请的中的每个光路上连接的干涉仪3的臂长差可以任意组合，例如，其中一条光路上的干涉仪3两臂的长度差值可使得前后相差两个周期的光脉冲发生干涉，另外一条光路上的干涉仪3两臂的长度差值可使得前后相差五个周期的光脉冲发生干涉。

所述多纵模激光器1、波分器件2、干涉仪3以及接收探测模块4之间传输的光可以通过光纤传输，也可以通过自由空间传输。当然也可以采用其他方式进行连接，只要能够保证波分器件2接收到多纵模激光器1发射的光，干涉仪3接收到波分器件2发出的光，接收探测模块4接收到干涉仪3发出的光即可。

综上所述，本申请的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置具有光源的利用率高、量子随机数的产生速率高的特点。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，包括：多纵模激光器（1）、波分器件（2）、若干个干涉仪（3）、接收探测模块（4）以及数据采集处理模块（5）；

所述波分器件（2）的输入端与所述多纵模激光器（1）相连接，所述波分器件（2）用于将多纵模激光器（1）发射的光分成至少两路的不同中心波长的光，所述波分器件（2）的输出端的每一路可根据需求均与一个干涉仪（3）的输入端连接；

干涉仪（3）的输出端与所述接收探测模块（4）的输入端相连接，所述接收探测模块（4）具有与干涉仪（3）的数量一致的通道，每个通道均连接一个干涉仪（3）；

所述接收探测模块（4）的输出端与数据采集处理模块（5）的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，所述波分器件（2）为1×N的AWG滤波器，其中N≥2，N为正整数。

3.根据权利要求1所述的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，所述接收探测模块（4）包括光电探测器（401）、放大器（402）以及模数转化器（403）；

所述光电探测器（401）用于将接收的光信号转变为相应的电信号；

所述放大器（402）用于将电信号放大成幅值合适的电压信号；

所示模数转化器（403）用于将电压信号处理成数字信号。

4.根据权利要求3所述的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，所述光电探测器（401）为光电二极管。

5.根据权利要求1所述的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，所述数据采集处理模块（5）的平台为FPGA、DSP、GPU或CPU。

6.根据权利要求1所述的基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置，其特征在于，当多纵模激光器（1）发射周期脉冲光时，所述干涉仪（3）的两臂的长度差值可使得相差整数个周期的脉冲光发生干涉。