CN210244339U - 一种量子随机数产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种量子随机数产生装置，其包括：用于产生激光信号的激光器，所述激光信号中包含自发辐射的随机相位噪声；四分之一波片反射镜‑迈克尔逊干涉仪，包括分束器和分别经两个臂与分束器光耦合的两个四分之一波片反射镜，分束器的未连接至两个臂的一个端口连接至激光器，所述激光信号经分束器分束为两路光信号以分别沿两个臂传输至两个反射镜、然后分别由两个反射镜反射回分束器以由分束器合束输出作为干涉信号；探测与信号处理单元，连接至分束器的未连接至两个臂的另一个端口，用于对所述干涉信号进行探测，并对探测到的信号进行处理以由所述随机相位噪声生成随机数。利用本实用新型，可产生高速随机数，另外可减少偏振噪声的影响。

Description

一种量子随机数产生装置

技术领域

本实用新型涉及信息安全及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子随机数产生装置。

背景技术

随机数在密码学、统计学、数值仿真、通信、博彩等行业有着广泛应用。目前，应用最多的是基于数学算法产生的随机数和基于物理过程产生的物理随机数，这些随机数本质上都是伪随机数。量子随机数基于量子物理原理，是一种真随机数，具有不可预测性和无周期性，可满足人们对高质量随机数产生的要求，从而受到广泛关注。一种主要的商用量子随机数发生器，如ID Quantique公司的量子随机数发生器，基于单光子分束探测。该量子随机数发生器由于采用单光子探测器，受限于单光子探测器死时间的约束，其随机数产生速率被限制在Mbps水平。由于随机数产生速率慢，该量子随机数发生器的应用有限。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提出一种量子随机数产生装置，其利用激光器自发辐射的相位波动作为随机数源，通过四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪实现偏振无关干涉而将相位波动转换为光强大小，并通过信号探测获得量子随机数，可大大提高量子随机数生成速率。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种量子随机数产生装置，其特征在于，所述量子随机数产生装置包括：

激光器，所述激光器用于产生激光信号，所述激光信号中包含自发辐射的随机相位噪声；

四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪包括分束器和分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个四分之一波片反射镜，所述分束器的未连接至所述两个臂的一个端口连接至所述激光器，每个所述四分之一波片反射镜包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜，所述分束器用于将来自所述激光器的激光信号分束为两路光信号，所述两个臂用于分别传输所述两路光信号，所述两个四分之一波片反射镜用于分别将来自所述分束器的经所述两个臂传输来的所述两路光信号反射回所述分束器以由所述分束器合束输出作为干涉信号，其中对于所述两路光信号中的每路光信号，经由相应四分之一波片反射镜的反射后，该路光信号的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态；

探测与信号处理单元，所述探测与信号处理单元连接至所述分束器的未连接至所述两个臂的另一个端口，用于对所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号进行探测，并对探测到的信号进行信号处理以由所述随机相位噪声生成随机数。

2.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂为保偏光纤。

3.根据方案2所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两个臂中每个臂的保偏光纤的慢轴与通过该臂光耦合至所述分束器的相应四分之一波片反射镜的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。

4.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪还包括移相器，所述移相器位于所述两个臂中之一上。

5.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述激光器产生的所述激光信号为脉冲信号。

6.根据方案5所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两个臂为不等臂，所述两个臂的传输延时为所述脉冲信号的周期的整数倍。

7.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述分束器为保偏耦合器。

本实用新型的量子随机数产生装置利用激光器自发辐射量子现象带来的随机相位涨落产生随机数，可以产生高速随机数，且所产生的随机数为真随机数。另外，该装置通过采用四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪，可以避免因偏振诱导衰落而导致干涉仪干涉不稳定，从而减少偏振噪声的影响。本实用新型提供了一种高速量子随机数产生装置。此外，本实用新型具有光路结构简单、易于应用的优点。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的量子随机数产生装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的量子随机数产生装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本实用新型一优选实施例的量子随机数产生装置如图1所示，包括以下组成部分：激光器101、分束器102、两个四分之一波片反射镜103和104、探测与信号处理单元105。

两个四分之一波片反射镜103和104分别经两个臂(图1中的上臂和下臂)与分束器102光耦合，形成一个迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪可称为四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪。四分之一波片反射镜103和104中的每个包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜。分束器102的未连接至所述两个臂的一个端口连接至激光器101，分束器102的未连接至所述两个臂的另一个端口连接至探测与信号处理单元105。

两个四分之一波片反射镜103和104均为同相偏振正交旋转反射装置。

这里，同相偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，其中反射前后两个正交偏振态之间相位保持同相。

举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个同相偏振正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。反射前x偏振态和y偏振态之间的相位与反射后y偏振态和x偏振态之间的相位相同。

对相位保持同相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为

输入光脉冲的状态为

其中

分别表示x偏振态和y偏振态，A、B分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，

表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光脉冲为

即，输出光脉冲的两个正交偏振态只产生偏振正交旋转，相位关系保持不变。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为

即表示只进行偏振态转换，相位关系保持不变。

与相位保持同相相对的是相位变换为反相。对相位变换为反相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为

输入光脉冲的状态为

其中

分别表示x偏振态和y偏振态，A、B分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，

表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光脉冲为

即，输出光脉冲的两个正交偏振态不仅产生偏振正交旋转，而且其中一个正交偏振态的相位变换为其反相。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为

即表示进行偏振态转换，并且两个正交偏振态中一个偏振态的相位作了反相变换。采用法拉第反射镜作为反射装置的已有方案是这种情况的一个示例。

激光器101用于产生激光信号，激光信号中自发辐射的随机相位噪声用作随机数源。

分束器102用于将入射的任意偏振态的一路输入光信号分束为两路光信号以分别沿两个臂传输。

两个臂用于分别传输所述两路光信号。

四分之一波片反射镜103和104分别用于将来自分束器102的经所述两个臂传输来的所述两路光信号反射回分束器102以由分束器102合束输出作为干涉信号。

探测与信号处理单元105用于对四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪输出的光信号(即，来自分束器102的干涉信号)进行探测，并对探测到的信号进行处理以将激光器101生成的激光信号中的随机相位噪声转换为随机数，由此生成随机数。

四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂可以为保偏光纤光路。此时，四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂中每个臂的保偏光纤的慢轴与经由该臂光耦合至分束器102的相应四分之一波片反射镜的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。

分束器102可以为保偏耦合器。

在一种可能的应用中，四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪还包括移相器(图1中未示出)，所述移相器位于所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂中之一上。

在一种可能的应用中，激光器101产生的激光信号为脉冲信号。此时，四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂为不等臂，这两个臂的传输延时为脉冲信号的周期的整数倍。

本实用新型另一优选实施例的量子随机数产生装置如图2所示，包括以下组成部分：激光器201、保偏分束器202、移相器203、四分之一波片反射镜204和205、探测与信号处理单元206。

激光器201工作在阈值电流附近，输出光脉冲信号。保偏分束器202与四分之一波片反射镜204和205构成迈克尔逊干涉仪。该干涉仪的两臂之一上设置有移相器203，用于对相位漂移进行反馈补偿。该干涉仪为不等臂干涉仪，其两臂的臂长之差产生的延时等于激光器输出的光脉冲信号的周期。保偏分束器202一侧的两个端口分别与激光器201和探测与信号处理单位206连接。

工作时，激光器201产生的光脉冲输入至保偏分束器202。该光脉冲中包括自发辐射的随机相位噪声，该随机相位噪声导致该光脉冲的相位变换。保偏分束器202将输入的光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿干涉仪的两臂传输。来自保偏分束器202的一路光脉冲经移相器203后传输至四分之一波片反射镜204，并由四分之一波片反射镜204反射后返回至保偏分束器202。来自保偏分束器202的另一路光脉冲传输至四分之一波片反射镜205，并由四分之一波片反射镜205反射后返回至保偏分束器202。因为干涉仪的臂长之差产生的延时为激光器输出的光脉冲信号的周期，所以相邻前后周期的光脉冲信号经干涉仪传输反射回保偏分束器202后产生干涉，由此分束器202输出干涉信号，并将其输出至探测与信号处理单元206。这样，激光器201输出的光脉冲的相位变换转换为干涉信号的强度起伏，通过探测和信号处理单元对来自干涉仪的干涉信号进行探测和信号处理由该干涉信号的强度起伏获得随机数。

通过上文的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

Claims (7)

1.一种量子随机数产生装置，其特征在于，所述量子随机数产生装置包括：

激光器，所述激光器用于产生激光信号，所述激光信号中包含自发辐射的随机相位噪声；

四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪包括分束器和分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个四分之一波片反射镜，所述分束器的未连接至所述两个臂的一个端口连接至所述激光器，每个所述四分之一波片反射镜包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜，所述分束器用于将来自所述激光器的激光信号分束为两路光信号，所述两个臂用于分别传输所述两路光信号，所述两个四分之一波片反射镜用于分别将来自所述分束器的经所述两个臂传输来的所述两路光信号反射回所述分束器以由所述分束器合束输出作为干涉信号，其中对于所述两路光信号中的每路光信号，经由相应四分之一波片反射镜的反射后，该路光信号的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态；

探测与信号处理单元，所述探测与信号处理单元连接至所述分束器的未连接至所述两个臂的另一个端口，用于对所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号进行探测，并对探测到的信号进行信号处理以由所述随机相位噪声生成随机数。

2.根据权利要求1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪的两个臂为保偏光纤。

3.根据权利要求2所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两个臂中每个臂的保偏光纤的慢轴与通过该臂光耦合至所述分束器的相应四分之一波片反射镜的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。

4.根据权利要求1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述四分之一波片反射镜-迈克尔逊干涉仪还包括移相器，所述移相器位于所述两个臂中之一上。

5.根据权利要求1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述激光器产生的所述激光信号为脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两个臂为不等臂，所述两个臂的传输延时为所述脉冲信号的周期的整数倍。

7.根据权利要求1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述分束器为保偏耦合器。

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