CN213659430U

CN213659430U - 一种量子随机数发生器芯片

Info

Publication number: CN213659430U
Application number: CN202022913007.6U
Authority: CN
Inventors: 白冰; 张军; 乔冠儒; 聂友奇; 潘建伟
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2030-12-04

Abstract

本实用新型公开了一种量子随机数发生器芯片，包括：依次连接的光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片，其中：光学芯片包括连续激光器、光分束器、第一光衰减器、第二光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器；微控制器芯片包括第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器和处理器；跨阻放大器芯片包括跨阻放大器；其中，光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片封装得到量子随机数发生器芯片。本实用新型将通过系统化封装的方法将微控制器芯片和光学芯片封装在一块芯片内，大幅度缩小了量子随机数系统的体积，极大地提高了系统和结构的稳定性，同时降低了功耗和成本，提升了应用范围和应用场景。

Description

一种量子随机数发生器芯片

技术领域

本实用新型属于量子随机数产生技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器芯片。

背景技术

随机数是一种广泛使用的基础资源，在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多领域都有着广泛而重要的应用。量子随机数发生器的随机性保障源于量子物理原理，通过测量量子物理系统中内秉的随机特性产生真随机数，具备不可预测性，不可重复性和无偏性，其随机性是由量子力学基本原理所保证的，相比于其它随机数产生技术来说更具优势，因而具有更高的安全性，特别适合对于随机性要求较高的应用场景。

多种方案可以实现量子随机数发生器，例如光子路径选择方案、光子到达时间方案、激光相位波动方案和测量器件无关的量子随机数方案等。目前基于分立光电子器件搭建的量子随机数系统，普遍具有价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低等缺点，难以满足量子随机数普及应用需求。例如上述举例，单光子路径选择的方案和光子到达时间方案，其比特率为Mbps量级，系统中用到了单光子探测器，系统体积大、成本高；激光相位波动的方案，比特率可达10Gbps以上，但是由于此方案中含有光学干涉仪，导致系统体积较大，对振动和温度很敏感，不利于实用化。

目前，现有的另一种随机数方案的光源与读数电路为独立外接结构，且读数电路为现场可编程阵列，体积较大，且功耗较高；同时，上述技术方案的光源与光学芯片通过贴合的方式固定，结构稳定性较差。

从以上例子可以看出，量子随机数应用场景需要低成本、低功耗、小体积、稳定性和可靠性高的随机数方案。

综上所述，现有技术的缺陷为：目前的量子随机数系统价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低，难以满足量子随机数普及应用需求。

实用新型内容

因此在现有技术中，基于分立光电子器件搭建的量子随机数系统价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低，难以满足量子随机数普及应用需求。

为此，非常需要一种改进的量子随机数发生器芯片，以使实时量子随机数发生器通过单芯片的方式实现，并将光学芯片和后端读数电路芯片集成在一个封装内，最终单芯片实时量子随机数发生器能够满足低成本、低功耗、小体积、稳定性和可靠性高的实用化应用需求。

在本上下文中，本实用新型的实施方式期望提供一种量子随机数发生器芯片。

在本实用新型实施方式的第一方面中，提供了一种量子随机数发生器芯片，包括：依次连接的光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片，其中：上述光学芯片包括连续激光器、光分束器、第一光衰减器、第二光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器；上述微控制器芯片包括第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器和处理器；上述跨阻放大器芯片包括跨阻放大器；

在本实用新型的一个实施例中，上述光分束器的两个输出端分别独立连接上述第一光衰减器与第二光衰减器；上述第一光衰减器的输出端连接上述第一光电探测器，上述第二光衰减器输出端连接上述第二光电探测器。

在本实用新型的另一个实施例中，上述光分束器设置有两个输入端，上述光分束器的一个输入端与上述连续激光器连接，另一个输入端空置，作为真空态光输入端。

在本实用新型的又一个实施例中，上述光学芯片的第一光电探测器与第二光电探测器的输出端与上述跨阻放大器芯片的跨阻放大器连接。

在本实用新型的再一个实施例中，上述处理器分别与第一数模转换器、第二数模转换器和模数转换器连接。

在本实用新型的再一个实施例中，上述第一数模转换器的输出端与上述第一光衰减器连接，上述第二数模转换器的输出端与上述第二光衰减器连接。

在本实用新型的再一个实施例中，上述模数转换器的输入端连接上述跨阻放大器。

在本实用新型的再一个实施例中，上述光学芯片的尺寸为2cm x1cm或5mmx3mm。

在本实用新型的再一个实施例中，上述跨阻放大器芯片的尺寸为1mmx1mm。

在本实用新型的再一个实施例中，上述微控制器芯片的尺寸为3mmx4mm。

根据本实用新型实施方式的量子随机数发生器芯片，将真空态量子随机数方案中的光源、光路设计和探测器集成在一个光学芯片上，并通过系统化封装的方法将微控制器芯片和光学芯片封装在一块芯片内，使系统级集成的量子随机数发生器达到1cm量级，大幅度缩小了量子随机数系统的体积，极大地提高了系统和结构的稳定性，同时降低了功耗和成本，提升了应用范围和应用场景。

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芯片的结构示意图。

图中：1、光学芯片；2、跨阻放大器芯片；3、微控制器芯片；11、连续激光器；12、真空态光；13、光分束器；14、第一光衰减器；15、第一光电探测器；16、第二光衰减器；17、第二光电探测器；21、跨阻放大器；31、第一数模转换器；32、模数转换器；33、第二数模转换器；34、处理器。

图2是本本实用新型实施例提供的量子随机数发生器芯片的制作方法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

下面结合图1对本实用新型示例性实施方式的量子随机数发生器芯片进行描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的量子随机数发生器芯片包括：光学芯片1、跨阻放大器芯片2、微控制器芯片3、连续激光器11、真空态光12、光分束器13、第一光衰减器14、第一光电探测器15、第二光衰减器16、第二光电探测器17、跨阻放大器21、第一数模转换器31、模数转换器32、第二数模转换器33、处理器34。

在本实用新型的一个实施例中，量子随机数发生器芯片由光学芯片1、跨阻放大器芯片2和微控制器芯片3通过系统级封装得到；

光学芯片1包括连续激光器11、光分束器13、第一光衰减器14、第二光衰减器16、第一光电探测器15和第二光电探测器17；微控制器芯片3包括第一数模转换器31、第二数模转换器33、模数转换器32和处理器34；跨阻放大器芯片2包括跨阻放大器21。

本实施例中，光分束器13的两个输出端分别独立连接第一光衰减器14与第二光衰减器16；第一光衰减器14的输出端连接第一光电探测器15，第二光衰减器16输出端连接第二光电探测器17。光分束器13设置有两个输入端，光分束器13的一个输入端与连续激光器11连接，另一个输入端空置，作为真空态光12输入端。

本实施例中，光学芯片1的第一光电探测器15与第二光电探测器17的输出端与跨阻放大器芯片2的跨阻放大器21连接。

本实施例中，处理器34分别与第一数模转换器31、第二数模转换器33和模数转换器32连接。第一数模转换器31的输出端与第一光衰减器14连接，第二数模转换器33的输出端与第二光衰减器16连接。模数转换器32的输入端连接跨阻放大器21。

本实施例中，光学芯片1的尺寸为2cm x1cm或5mmx3mm；跨阻放大器芯片2的尺寸为1mmx1mm；微控制器芯片3的尺寸为3mm x4mm；值得说明的是，本实用新型实施例的光学芯片1、跨阻放大器芯片2和微控制器芯片3的大小包括但不限于上述具体尺寸，并能够根据使用和设计需求调整量子随机数发生器芯片的大小尺寸。

根据本实用新型的实施例，通过将光学芯片1、跨阻放大器芯片2和微控制器芯片3进行系统级封装使得单芯片实时量子随机数发生器方案理论上可行，并使系统级集成的量子随机数发生器达到1cm量级，极大地缩小了量子随机数系统的体积，提升了应用范围和应用场景。

在介绍了本实用新型示例性实施方式的芯片之后，接下来，参考图2对本实用新型示例性实施方式的量子随机数发生器芯片的制作方法进行描述。

如图2所示，根据本实用新型实施例的量子随机数发生器芯片的制作方法包括操作S101～操作S103。

在操作S101，通过光子集成的方法将光分束器13、第一光衰减器14和第二光衰减器16集成到光波导芯片上。

在操作S102，通过混合集成的方法将连续激光器11、第一光电探测器15、第二光电探测器17和光波导芯片混合集成，构成光学芯片1。

在操作S103，通过系统化封装的方法将光学芯片1、跨阻放大器芯片2和微控制器芯片3进行封装，构成量子随机数发生器芯片。

根据本实用新型的实施例，通过采用光子集成和混合集成的方法将真空态量子随机数方案中的光源、光路设计和探测器集成在一个光学芯片1上，并通过系统化封装的方法将微控制器芯片3和光学芯片1封装在一块芯片内，使量子随机数系统的集成度更高，降低了各结构间的结构布局与排线难度，大幅度缩小了量子随机数系统的体积，极大地提高了系统和结构的稳定性，同时降低了功耗和成本。

为了进一步便于理解，下面针对图1所示的一种量子随机数发生器芯片设计方法的工作流程及工作原理进行介绍。

1、工作流程

连续激光，输入到光学芯片中的光分束器的一端，光分束器输入的另一端空置，作为真空态光输入端。光分束器的两个输出端口各有一个光衰减器，光分束器和光衰减器将输入光分成强度比为50/50的两束光，这两束光分别进入两个光电探测器进行光电转换过程；光信号转换成两路的电流信号相减(零差探测)后，进入跨阻放大器，将微弱的高频电流信号放大并且转化为电压信号；此电压信号即为量子涨落产生的随机信号，信号进入模数转换器并且经过微控制器中的处理器后处理后得到实时产生的量子随机数。

2、工作原理

量子涨落存在于相干态光场中，它在振幅和位相上满足最小不确定性原理。此随机数方案本质上就是相干态量子涨落。本实用新型实施例中利用光电探测器对经过光分束器分束后的两路光进行零差探测，随机性得以体现。

光分束器的输入一路为本振光源(即连续激光)，另一路空置(即真空态光)。若假设两路输入量子态为

经过光分束器和两路衰减器后，两路光变为

则有下列关系：

其中，

分别对应本振光源和真空态。对于50∶50的分光比的光分束器

在分束器输出端则有：

上式中，

即为真空态；

光电转换后，第一与第二光电探测器上通过的电流为：

上式中，k为光电探测器的量子效率，

分别对应两路输入光电探测器的光强；

增加了上标“+”代表

量子态的厄米共轭。电流值应等于量子效率与光强大小的乘积，两路电流的差为：

可以证明：

<Δi>＝0，

其中<Δi²>对应量子噪声σ_q ²，量子噪声从零差探测的结果中得以体现。在本实用新型实施例中，电子学读出电路得到的噪声分布分为两部分，量子噪声σ_q ²和经典噪声σ_e ²，即

σ_total ²＝σ_q ²+σ_e ² (八)

连续激光是相干光源，其平均光子数记为μ。对于使用相干光源，其光子数n服从泊松分布，其分布由下式给出：

其中，平均光子数μ需要通过理论分析与实验结果来优化的，通常通过调节光源发光强度和可调衰减器来控制该实验参数。

两路光电探测器将光电探测的结果零差探测后，光子数服从Skellam分布，其分布由下式给出：

p_k＝P(n₁-n₂＝k)＝e^-2μI_k(2μ) (十)

其中，I_k(2μ)为修正贝塞尔函数；n₁、n₂分别对应两路光的平均光子数，也是Skellam分布的两个参数，决定了此分布的形状。

在本实用新型实施例中，通过以上计算可以获知量子噪声分布情况。

经典噪声在系统中是服从高斯分布的，只需要测量出没有光输入的时候的经典噪声σ_e ²，就可以计算出量子噪声所占比例。

通过计算量子噪声分布情况计算得到最小熵。随机性是由最小熵来量化的，其定义为：

H_∞＝-log₂p_max (十一)

其中p_max是最有可能出现结果的概率。真空态涨落的随机数是服从Skellam分布的，通过前述的量子噪声方差σ_q ²，就可以得到p_max，从而计算出最小熵。

在最终的随机数后处理中，采用基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵算法，矩阵大小为n×m，即从n比特原始量子随机数数据可提取出m比特的最终随机数，且满足如下关系：n/m≤H_∞。根据最小熵结果，上述处理可以得到最终的量子随机数，其随机性来源于量子物理基本原理，是信息理论可证的。

上述方案中，原始数据的最小熵是根据测量结果计算得到的，测量结果可在微控制器内部得到，从而实现了最小熵的精确估算。原始数据经过后处理之后，可以实时得到最终的真空态涨落的量子随机数。通过以上方案，可以获得高速、稳定的量子随机数。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种量子随机数发生器芯片，其特征在于，包括：依次连接的光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片，其中：

所述光学芯片包括连续激光器、光分束器、第一光衰减器、第二光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述微控制器芯片包括第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器和处理器；

所述跨阻放大器芯片包括跨阻放大器；

其中，所述光学芯片、所述跨阻放大器芯片和所述微控制器芯片封装得到所述量子随机数发生器芯片。

2.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述光分束器的两个输出端分别独立连接所述第一光衰减器与第二光衰减器；所述第一光衰减器的输出端连接所述第一光电探测器，所述第二光衰减器输出端连接所述第二光电探测器。

3.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述光分束器设置有两个输入端，所述光分束器的一个输入端与所述连续激光器连接，另一个输入端空置，作为真空态光输入端。

4.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述光学芯片的第一光电探测器的输出端与第二光电探测器的输出端，分别与所述跨阻放大器芯片的跨阻放大器连接。

5.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述处理器分别与第一数模转换器、第二数模转换器和模数转换器连接。

6.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述第一数模转换器的输出端与所述第一光衰减器连接，所述第二数模转换器的输出端与所述第二光衰减器连接。

7.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述模数转换器的输入端连接所述跨阻放大器。

8.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述光学芯片的尺寸为2cmx1cm或5mmx3mm。

9.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述跨阻放大器芯片的尺寸为1mmx1mm。

10.如权利要求1所述的量子随机数发生器芯片，其特征在于，所述微控制器芯片的尺寸为3mmx4mm。