CN210270868U

CN210270868U - 一种量子随机数发生器

Info

Publication number: CN210270868U
Application number: CN201920236698.5U
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 刘威; 周金荣; 费礼; 陈思井; 彭汉; 文柯
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; 722th Research Institute of CSIC
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; 722th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2029-02-25

Abstract

本实用新型公开了一种量子随机数发生器。其中，光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口2经光延时部件1、光开关部件2与光合束部件的输入端口2连接；光分束部件的输出端口3经光延时部件2、光开关部件3与光合束部件的输入端口3连接；以此类推，光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；光合束部件的光信号输出端与光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。通过控制光开关部件的工作时序可分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，可以提高最大采样速率，并保证提取的随机数具有最大可能的熵值。

Description

一种量子随机数发生器

技术领域

本实用新型涉及随机数发生装置技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器。

背景技术

随着信息量井喷式的增长，信息安全开始日益受到人们的重视。随机数在信息加密过程中，具有不可替代的作用。而基于光源相位噪声的量子随机数发生器由于其内禀的量子随机特性，可以实现真随机数的产生，从而保证信息传递的绝对安全。

基于光源相位噪声的量子随机数发生器(QRNG)中一般要采用干涉仪结构将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，因此，光源自身的相干性会影响随机数产生器的性能。光源的时间相干性是指：只有延时差在一定范围内的光波才具有相对固定的位相差，从而可以发生稳定的干涉，这一时间范围称为相干时间。从统计学角度上看，可以认为延时差小于相干时间的两束光具有关联性，即彼此不独立。取极限情况，当两束光的延时差等于零时，则其相位完全相同，此时的相关系数为“1”。随着两束光延时差的增加，其相关系数逐渐减小。当延时差远大于相干时间时，则可以认为这两束光是彼此独立的，这时通过干涉提取的幅度噪声分布近似为均匀分布，所产生的随机数具有最大可能的熵值(均匀分布的随机数具有最大的无序性)。在目前的基于光源相位噪声的QRNG方案中，大多通过提升采样速率(即减小采样间隔)来实现高速率随机数的产生，而该方法带来的潜在问题是，减小采样间隔实际上相当于等效地减小了参与干涉的两束光的延时差，使得发生干涉的光束之间的相关性增加，这会带来三个方面的不利影响，1)减小了转换所得幅度噪声的动态范围，这对后续的量化过程是非常不利的；2)提取的数据概率分布变为高斯分布，减小了产生的随机数的熵值；3)干涉仪必须增加反馈控制以避免环境因素造成的偏置点的随机漂移。因此，考虑到光源相干时间的上述限制，产生真随机数所要求的最大采样速率受限于光源的相干时间，即：

其中，v_s，max为最大采样速率；T_s,min为最小采样间隔；τ_c为光源的相干时间。

实用新型内容

本实用新型通过提供一种量子随机数发生器，实现了最大采样速率不受光源相干时间限制的技术效果。

本实用新型提供了一种量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n 个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1 经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；所述光分束部件的输出端口n经所述光延时部件n-1、所述光开关部件n与所述光合束部件的输入端口n连接；所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。

进一步地，还包括：模数转换部件；所述模数转换部件的电信号输入端与所述光探测部件的电信号输出端电性连接。

进一步地，还包括：发光部件；所述发光部件的光信号输出端与所述光分束部件的光信号输入端连接。

进一步地，所述发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。

进一步地，所述光延时部件为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器。

进一步地，所述光开关部件为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关，开关时间达到纳秒量级。

进一步地，所述光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

本实用新型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：

将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关部件来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关部件处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本实用新型中参与干涉的两束光的相关性小，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。另一方面，得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本实用新型相比于现有的有效延时差较小的方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本实用新型中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的随机性为代价。因此，本实用新型的最大采样速率不受光源相干时间的限制。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的量子随机数发生器的结构示意图。

图2是基于本实用新型实施例提供的量子随机数发生器的三支路干涉结构的光量子随机数发生器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：

为了更好地理解上述技术方案，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。

参见图1，本实用新型提供的量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口2经光延时部件1、光开关部件2与光合束部件的输入端口2连接；光分束部件的输出端口3经光延时部件2、光开关部件3与光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光分束部件的输出端口n经所述光延时部件n-1、所述光开关部件 n与所述光合束部件的输入端口n连接；光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；光合束部件的光信号输出端与光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3，如3、4、5、6等。

对本实用新型提供的量子随机数发生器的结构进行具体说明，还包括：模数转换部件；模数转换部件的电信号输入端与光探测部件的电信号输出端电性连接。

对本实用新型提供的量子随机数发生器的结构进行进一步说明，还包括：发光部件；发光部件的光信号输出端与光分束部件的光信号输入端连接。

在本实施例中，发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器等，工作于阈值附近且略高于阈值处，且发光部件的工作波长与光电转换部件的响应波长匹配。光延时部件1～n-1为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器等，各个光延时部件可以相同，也可以不同。光开关部件1～n为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关等开关时间可以达到纳秒量级的高速光开关，支路数n可以为3、4、5、……等，对于相同的发光部件(相干时间相同)，当n增加时，要求光开关的开关时间按∝1/(n(n-1))的规律减小。各个光开关部件可以相同，也可以不同。光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管、PIN光电二极管或光电探测器等。光分束部件为实现分束功能的光分束器等。光合束部件为实现合束功能的光合束器等。模数转换部件为A/D转换器等。

如图1所示，τ_c是光源的相干时间；t_i是光延时器i的延迟时间(i＝1,2，…， n-1，n＝3,4,5,…)；光分束器是实现n路分束的光耦合器；光合束器是实现n 路合束的光耦合器。采用光分束器将来自光源的光等功率地分成n束，分别进入n条支路，每一条支路上引入的延时量都不相同，n条支路中的任意两条支路的延时差均大于光源的相干时间，以保证提取的噪声服从均匀分布。任意一条支路都有一个光开关来实现这条支路的导通和关闭。通过对光开关的控制，可以使得在同一时间只有两个支路上的光开关处于导通状态，从而实现对参与干涉的两路光波的相对延时量的选择。得益于这种选择性，可以分时地实现具有不同延时差的光波之间干涉，从而在不同的时间窗口提取相位噪声。

本实用新型实施例选择的是n＝3，即三条支路的情况。

三支路分时干涉结构如图2所示。其中，光源为线宽是10MHz的分布反馈 (DFB)半导体激光器，光源的相干时间为τ_c＝31.84ns；光开关采用高速铌酸锂电光开关；延迟器件为两根长度分别为8.5米和19.5米的标准单模光纤 (G.652)；光分束器是一个1×3的定向耦合器；光合束器是一个3×1的定向耦合器；光电探测器为带宽10GHz的PIN光电探测器。三条支路中任意两条支路的延时差均大于光源的相干时间τ_c，保证了参与干涉的光波彼此之间相互独立，从而使得干涉结果服从均匀分布，产生随机数具有最大可能熵值。3个光开关同一时刻只有2个是导通状态，从而实现三条光路的交替干涉。通过对开关的控制，可以实现对参与干涉的光路的选择。理论上最大的采样速率将会取决于光开关的切换速度，而不受光源相干时间的制约。图2实施例中的一个时序周期内光开关控制流程是：1)k1和k3导通，k2关闭，得到采样点S₁；2) k1和k2导通，k3关闭，得到采样点S₂；3)k2和k3导通，k1关闭，得到采样点S₃；4)S₄则是下一个周期的第一个采样点，它对应的光开关状态与S₁一样，k1和k2导通，k3关闭；以此类推。

需要说明的是，本实用新型实施例既可以由分立器件直接在自由空间实现，其中的一部分或全部装置也可以由集成光电子器件来代替。

【技术效果】

将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本实用新型实施例中参与干涉的两束光的相关性要小得多，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本实用新型实施例相比于现有的有效延时差较小的普通双光束干涉方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本实用新型实施例中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的最大产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的熵值为代价。因此，本实用新型实施例的最大采样速率不受光源相干时间的限制。若光开关的开关时间足够小，n条支路时，能实现理论最大值的n(n-1)/2倍的采样速率。目前已经商用的光开关可以达到1ns的切换速度，则可假定光开关的导通时间为2ns，假设 AD转换器是3bit采样，光源的线宽为

那么理论上用普通MZI方案能实现的最大采样速度是：

而用本实用新型实施例提供的量子随机数发生器可以实现的最大采样速度是：

是理论最大值的16倍。

综上所述，本实用新型实施例通过光开关对支路的选择性作用，分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，可以提取不同时间窗口(即：分时提取)的量子相位信息，从而在突破普通双光束干涉方案理论上的最大采样速率的同时，保证了采样数据服从均匀分布且相邻采样点的相关性最小，进而保证了提取的随机数具有最大可能的熵值。且本方案中不需要对干涉仪的偏置点进行反馈控制，简化了系统设计。本实用新型实施例提出的方案的最大意义在于，在不影响采样时间的前提下，获得均匀分布的随机数(从而获得最大可能的熵值)，并最大程度地减小了相邻采样点的相关性，从而实现了对普通双光束干涉方案理论最大采样速率的突破，且本方案还具有升级办法简单(直接增加支路数)，产生速率提升空间巨大(理论上采样速率可以无限大)等优点。

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

1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；所述光分束部件的输出端口n经所述光延时部件n-1、所述光开关部件n与所述光合束部件的输入端口n连接；所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。

2.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，还包括：模数转换部件；所述模数转换部件的电信号输入端与所述光探测部件的电信号输出端电性连接。

3.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，还包括：发光部件；所述发光部件的光信号输出端与所述光分束部件的光信号输入端连接。

4.如权利要求3所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。

5.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光延时部件为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器。

6.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光开关部件为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关，开关时间达到纳秒量级。

7.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。