CN209980229U - 一种基于分子热运动的随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分子热运动的随机数发生器，包括：散射盒子，所述散射盒子为透明封闭的盒子，且所述散射盒子内填充有气体，用于对输入的光信号进行散射并输出散射光信号；光源，设置在所述散射盒子的第一壁面，用于向所述散射盒子的第一壁面输出所述光信号；光电探测器，设置在所述散射盒子的第二壁面，用于将所述散射光信号转换为模拟电信号；信号处理模块，与所述光电探测器连接，用于从所述模拟电信号中提取随机数，光信号在透过气体分子后，被气体分子散射后，能够得到强度不同且无规则的散射光信号，导致得到的散射光信号的不规则性，从而提取的随机数具有随机性。

Description

一种基于分子热运动的随机数发生器

技术领域

本实用新型涉及随机数发生器技术领域，尤其涉及一种基于分子热运动的随机数发生器。

背景技术

随机数在信息加密过程中起着重要作用。而目前计算机所使用的“随机数”往往是由一段小的随机序列种子经过确定性算法扩展而来，业界一般称其为“伪随机数”。这种方法产生的随机序列实际上会具有周期性，这种周期性使其具有较大的安全风险，因此，为了通信的安全性，需要能够产生真随机数的发生器。

而真随机数发生器往往是通过探测物理随机事件来实现真随机数的产生，而物理随机事件必须是“真随机”才能用于产生随机数。当前常用的真随机数发生器，例如利用亚稳态的触发器来产生真随机数，通常存在随机性不够等问题，致使通信传输面临被破译的风险，因此，为了通信的安全性，需要可以实现一种制造成本更低、安全性更高的随机数发生器。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于分子热运动的随机数发生器，解决了现有技术中随机数发生器随机性不足，导致信息不完全的技术问题。

本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：

一种基于分子热运动的随机数发生器，包括：

散射盒子，所述散射盒子为透明封闭的盒子，且所述散射盒子内填充有气体，用于对输入的光信号进行散射并输出散射光信号；光源，设置在所述散射盒子的第一壁面，用于向所述散射盒子的第一壁面输出所述光信号；光电探测器，设置在所述散射盒子的第二壁面，用于将所述散射光信号转换为模拟电信号；信号处理模块，与所述光电探测器连接，用于从所述模拟电信号中提取随机数。

在一个实施例中，还包括：加热器，设置在所述散射盒子的外侧；温度探极，设置在所述散射盒子的外侧，与所述散射盒子的壁面贴合；温度控制器，与所述加热器、温度探极分别连接，用于根据所述温度探极探测到的散射盒子的温度控制所述加热器对所述散射盒子进行加热。

在一个实施例中，还包括：调光组件，设置在所述光源与所述散射盒子之间的第一位置，用于使所述光信号垂直地照射到所述第一壁面上。

在一个实施例中，还包括：光隔离器，设置在所述光源与所述散射盒子之间除所述第一位置外的第二位置，用于隔离从所述第一壁面射出的所述散射光信号。

在一个实施例中，还包括：聚光组件，设置在所述散射盒子与所述光电探测器之间，用于将所述散射光信号聚集到所述光电探测器上。

在一个实施例中，所述光源输出的光信号为平面波。

在一个实施例中，所述光源为激光。

在一个实施例中，所述第二壁面为所述第一壁面对立的壁面，所述光电探测器设置在所述第一壁面对立的壁面。

在一个实施例中，所述光电探测器为两个，分别位于所述散射盒子两侧的第二壁面，所述信号处理模块包括：减法器，与所述光电探测器连接，用于对所述两个光电探测器输出的所述模拟电信号的差进行编码获得编码信息；后处理模块，与所述减法器连接，用于从所述编码信息中提取所述随机数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

光源输出的光信号透过填充有气体的透明封闭的散射盒子，在散射盒子的第二壁面输出散射光信号，通过光电探测器将散射光信号转换为模拟电信号，并通过信号处理模块从所述模拟电信号中提取随机数，由于气体的分子的不规则热运动，气体分子在任意时刻都具有不同且无规则的位置状态，因此光信号在透过气体分子后，被气体分子散射后，能够得到强度不同且无规则的散射光信号，导致得到的散射光信号的不规则性，从而提取的随机数具有随机性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请较佳实施例提供的一种基于分子热运动的随机数发生器的结构框图；

图2为本申请较佳实施例提供的又一种基于分子热运动的随机数发生器的结构框图；

图3为本申请较佳实施例提供的又一种基于分子热运动的随机数发生器的结构框图；

图4为本申请较佳实施例提供的又一种基于分子热运动的随机数发生器的结构框图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于分子热运动的随机数发生器，解决了现有技术中随机数发生器随机性不足，导致信息不完全的技术问题。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种基于分子热运动的随机数发生器，包括：散射盒子，所述散射盒子为透明封闭的盒子，且所述散射盒子内填充有气体，用于对输入的光信号进行散射并输出散射光信号；光源，设置在所述散射盒子的第一壁面，用于向所述散射盒子的第一壁面输出所述光信号；光电探测器，设置在所述散射盒子的第二壁面，用于将所述散射光信号转换为模拟电信号；信号处理模块，与所述光电探测器连接，用于从所述模拟电信号中提取随机数。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于分子热运动的随机数发生器，包括：

散射盒子202，散射盒子202为透明封闭的盒子，且其内填充有气体203，用于对输入的光信号进行散射并输出散射光信号；

实际实施过程中，散射盒子202的形状可以是立方体、长方体、圆柱体和球体。散射盒子202的体积可以小于1立方厘米，这有利于随机数发生器的小型化。

填充的气体203可以是O2、N2、CO2、SO2、Cl2和Ar等气体分子。可以是单一成分，也可以是多成分混合而成，如O2和N2混合而成的二元散射分子。

光源201，设置在散射盒子202的第一壁面，用于向散射盒子202的第一壁面输出光信号；

气体203作为散射介质分子，光信号透过散射盒子202的第一壁面入射到散射介质分子上时，由于气体分子热运动所造成的密度涨落向四周散射，在散射盒子202的第二壁面输出散射光信号。

入射光作为一种电磁波，其产生的电场会与散射介质分子产生感应极化现象，使得散射介质分子的负电荷中心与正电荷中心不再重合，从而形成电偶极子。由经典电动力学可知，电偶极子作为次波源向外辐射电磁场。因为分子的无规则热运动，空间分布状态不断变化，使得这些次波源所辐射的电磁场的相位关系不停地随机变化，导致散射光信号的强度随机起伏。因此，散射光信号的强度会随着散射介质分子的相位的变化不停地随机变化。由于散射介质分子一直在做无规则热运动，即相位不断的变化，且这种变化是无规则的，导致散射光信号的强度也会无规则变化。

另外，由海森堡提出的不确定性原理可知，对粒子空间位置信息的任何探测行为，都会对被探测粒子分子的动量带来不可预知的扰动，这意味着即使知道了某一时刻某一粒子的部分或全部信息，也不能推断出这个粒子上一时刻和下一时刻的信息，这个特性给本方案产生的随机数提供了安全保障。

光电探测器204，设置在散射盒子202的第二壁面，用于将散射光信号转换为模拟电信号；光电探测器204至少为一个，可以为一个、两个、三个、四个甚至更多，多个光电探测器204可以分别设置在散射盒子202的多个壁面，并行产生随机数。光电探测器204可以是APD雪崩光电二极管，PMT光电倍增管，PIN型光电二极管和光电三极管，与光源201的光信号相适应即可。

信号处理模块205，与光电探测器204连接，用于从模拟电信号中提取随机数。

实际实施过程中，信号处理模块205可以包括模数转换器2053和后处理模块2052，模数转换器2053也叫ADC，可以有效地将模拟电信号转变为数字信号的器件。后处理模块为具有CPU的硬件模块，它可以对模数转换器2053 提取到的原始随机数数据做进一步处理，如将非均匀分布的原始随机数转化为均匀分布的随机数，因为均匀分布的随机数具有更广泛地应用价值；还可以基于原始随机数的最小熵做进一步提取，消去经典噪声的影响，从而进一步保证数据的“真随机”。

作为一种可选的实施例，还包括：

加热器，设置在所述散射盒子202的外侧；

温度探极，设置在所述散射盒子202的外侧，与所述散射盒子202的壁面贴合；

温度控制器，与所述加热器、温度探极分别连接，用于根据所述温度探极探测到的散射盒子202的温度控制所述加热器对散射盒子202进行加热。

通过温度控制器对散射盒子202的温度控制来控制气体分子的热运动。温度越高，气体分子的热运动越剧烈，散射盒子202内气体分子从一种空间分布状态变化到另一种空间分布状态，所用的时间越短，散射光强起伏变化越快，从而可以用更大的采样速率，原始随机数产生速率也就更大，获取随机数用于信息加密的速度也越高，利于信息传输时的高速要求。

作为一种可选的实施例，还包括：调光组件206，调光组件206设置在光源201与散射盒子202之间的第一位置，用于使光信号垂直地照射到散射盒子 202的第一壁面上。可以是单一的凸透镜，也可以是多个透镜组合而成第一位置的具体位置根据调光组件206的具体参数进行设置，只要能保证光信号垂直地照射到散射盒子202的第一壁面上即可。例如：若调光组件6是单一的凸透镜，那么第一位置就位于凸透镜的焦点处。

作为一种可选的实施例，还包括：光隔离器207，光隔离器207设置在光源201与散射盒子202之间除第一位置外的第二位置。光信号从第一壁面入射到散射盒子202内，由于气体分子的散射，又会从第一壁面射出散射盒子202，影响整个随机数发生器的稳定性。为保证稳定性，在入射光源201与散射盒子 202之间设置光隔离器207对此部分光强进行隔离，确保光的单向传输。

作为一种可选的实施例，还包括：聚光组件208，聚光组件208设置在散射盒子202与光电探测器204之间，用于将散射光信号聚集到光电探测器204 上。可以是单一的凸透镜，也可以是多个透镜组合而成。

作为一种可选的实施例，光源201输出的光信号为平面波，平面波可以尽可能均匀对称地透射到气体分子上，可以最大程度的将气体分子因热运动导致的在空间上随机分布的信息提取到散射光强。

作为一种可选的实施例，如图4所示，光源201为激光，波长为400nm。半导体激光器运行在阈值附近时，具有最大的量子信噪比。激光的随机性来源于的自发辐射，自发辐射具有内禀的量子随机特性。以激光器的自发辐射为熵源与以分子热运动的熵源是相互独立的，将这两种熵源组合到一起能增加整个随机数发生器的熵。熵越大，意味着能从系统中提取到更多的随机数。

当激光器的工作电流远大于阈值电流时，随机数数据的“随机性”来源于分子的热运动；当激光器的工作电流在阈值电流附近时，随机数数据的“随机性”来源于分子的热运动和激光器的自发辐射。双熵源的叠加，可以提升整个系统的熵值。熵值越大，系统越无序，从系统中提取的随机数更多。

作为一种可选的实施例，如图2所示，第二壁面为第一壁面对立的壁面，光电探测器204设置在第一壁面对立的壁面。在入射面的对立面透射的平均光强是从侧面透射的光强的近2倍，探测光强的起伏来产生随机数，可以降低对光电探测器204性能的要求。

作为一种可选的实施例，如图3所示，光电探测器204为两个，分别位于散射盒子202两侧的第二壁面，信号处理模块包括：

减法器2051，与光电探测器204连接，用于对两个光电探测器204输出的模拟电信号的差进行编码获得编码信息；

后处理模块2052，与减法器2051连接，用于从编码信息中提取随机数。

引入减法器2051，将光电探测器204从两个侧面探测到的模拟电信号导入减法器2051中，通过减法处理来产生“01”编码的随机数。减法的具体过程：当I1-I2>0时，输出1；当I1-I2<0时，输出1；当I1-I2＝0时，无输出。假设当 I1不是随机的，I2是随机的，那么减法器2051的输出依旧是随机的。只要I1 和I2当中有一个是随机的，就能确保减法输出的随机性，这就是减法器2051 的优点。

随机数的一种生成过程：光源201辐射出的光信号，先通过光隔离器207，光隔离器207的作用是确保光路的单向传输，使光源201系统更稳定；再经过调光组件206，使入射光能垂直照射散射介质分子，尽可能大的与散射介质分子发生准弹性碰撞；经过散射盒子202后，这里的散射盒子202是装有散射介质分子的、对入射的光信号“透明”的盒子，除了散射盒子202的入射面，探测散射盒子202的其他壁面透射出的光强起伏；聚光组件208将经过散射盒子 202后的光尽可能的汇聚到光电探测器204里；光电探测器204可以将光强起伏转化为电信号起伏；电信号起伏传输到模数转换器2053后，再被转化为数字信号；这些数字信号再经过后处理模块，转化成具有应用价值的均匀分布的随机数。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

光源输出的光信号透过填充有气体的透明封闭的散射盒子，在散射盒子的第二壁面输出散射光信号，通过光电探测器将散射光信号转换为模拟电信号，并通过信号处理模块从模拟电信号中提取随机数，由于气体的分子的不规则热运动，气体分子在任意时刻都具有不同且无规则的位置状态，因此光信号在透过气体分子后，被气体分子散射后，能够得到强度不同且无规则的散射光信号，导致得到的散射光信号的不规则性，从而提取的随机数具有随机性。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于分子热运动的随机数发生器，其特征在于，包括：

散射盒子，所述散射盒子为透明封闭的盒子，且所述散射盒子内填充有气体，用于对输入的光信号进行散射并输出散射光信号；

光源，设置在所述散射盒子的第一壁面，用于向所述散射盒子的第一壁面输出所述光信号；

光电探测器，设置在所述散射盒子的第二壁面，用于将所述散射光信号转换为模拟电信号；

信号处理模块，与所述光电探测器连接，用于从所述模拟电信号中提取随机数。

2.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，还包括：

加热器，设置在所述散射盒子的外侧；

温度探极，设置在所述散射盒子的外侧，与所述散射盒子的壁面贴合；

温度控制器，与所述加热器、温度探极分别连接，用于根据所述温度探极探测到的散射盒子的温度控制所述加热器对所述散射盒子进行加热。

3.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，还包括：

调光组件，设置在所述光源与所述散射盒子之间的第一位置，用于使所述光信号垂直地照射到所述第一壁面上。

4.如权利要求3所述的随机数发生器，其特征在于，还包括：

光隔离器，设置在所述光源与所述散射盒子之间除所述第一位置外的第二位置，用于隔离从所述第一壁面射出的所述散射光信号。

5.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，还包括：

聚光组件，设置在所述散射盒子与所述光电探测器之间，用于将所述散射光信号聚集到所述光电探测器上。

6.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述光源输出的光信号为平面波。

7.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述光源为激光。

8.如权利要求1所述的随机数发生器，其特征在于，所述第二壁面为所述第一壁面对立的壁面，所述光电探测器设置在所述第一壁面对立的壁面。

9.如权利要求1～8任一所述的随机数发生器，其特征在于，所述光电探测器为两个，分别位于所述散射盒子两侧的第二壁面，所述信号处理模块包括：

减法器，与所述光电探测器连接，用于对所述两个光电探测器输出的所述模拟电信号的差进行编码获得编码信息；

后处理模块，与所述减法器连接，用于从所述编码信息中提取所述随机数。

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