[發(fā)明專利]一種基于Y分支波導(dǎo)的光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110281249.0
• 申請(qǐng)日: 2011-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN102508634A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖進(jìn)昆;張楊;吳志浩;陸榮國(guó);唐雄貴;李和平;劉永智
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F7/58
• 分類號(hào): G06F7/58;B82Y10/00
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息安全領(lǐng)域，特別涉及光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

背景技術(shù)

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在統(tǒng)計(jì)抽樣學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試、電子商務(wù)電子政務(wù)等眾多領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，尤其是在信息安全和信息加密等領(lǐng)域，隨機(jī)數(shù)更是起著關(guān)鍵的作用。近年來(lái)，量子保密通信(見文獻(xiàn)K.Inoue，“Quantum?key?distribution?technologies，”Selected?Topics?in?Quantum?Electronics，IEEE?Journal?of，vol.12，no.4，pp.888-896，July-Aug.2006.)已成為信息研究的熱門，而隨機(jī)數(shù)在其密鑰形成的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，如果這些隨機(jī)數(shù)被第三者竊取或者破解，通訊雙方通過(guò)公共信道討論探測(cè)結(jié)果時(shí)，竊聽者就可能完全獲取密鑰而不被發(fā)現(xiàn)。一股情況下，人們利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列，但是由于這種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源是經(jīng)典的，總是與一定的算法對(duì)應(yīng)，原則上總可以找到其中的規(guī)律性，是可以被破解的。真正的隨機(jī)數(shù)序列應(yīng)該是從各種隨機(jī)物理過(guò)程中產(chǎn)生得到的，而不能通過(guò)某個(gè)具體的算法計(jì)算得到。

真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來(lái)源于真實(shí)的隨機(jī)物理過(guò)程，因而徹底地消除了偽隨機(jī)數(shù)的周期性問(wèn)題，具有不可預(yù)測(cè)、不可再現(xiàn)等特性，這對(duì)于上述應(yīng)用有著重要意義。自然界中存在著豐富的物理隨機(jī)現(xiàn)象，物理隨機(jī)源就是利用物理量觀測(cè)值本身的隨機(jī)性獲得真隨機(jī)數(shù)。量子態(tài)疊加原理指出：量子系統(tǒng)可以處在對(duì)應(yīng)一個(gè)力學(xué)量的本征態(tài)的疊加態(tài)上，對(duì)疊加態(tài)的測(cè)量將會(huì)使系統(tǒng)塌縮到某個(gè)確定的態(tài)上，當(dāng)各分量前的加權(quán)系數(shù)相同時(shí)，測(cè)量的結(jié)果就是完全隨機(jī)的，利用這種量子效應(yīng)可以得到真正意義上的真隨機(jī)源。如由核衰變發(fā)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)是隨機(jī)的，可用于實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)源(見文獻(xiàn)A.Alkassar，T.Nicolay，and?M.Rohe，“Obtaining?true?random?binary?numbers?from?a?weak?radioactive?source，”Lecture?Notes?in?Computer?Science，2005，Volume?3481/2005，12-13)；被囚禁的單離子共振熒光輻射產(chǎn)生光子的間隔時(shí)間是隨機(jī)分布的，可作為真隨機(jī)源(見文獻(xiàn)W.M.Itano，J.C.Bergquist，R.G.Hulet，and?D.J.Wineland，“Radiative?Decay?Rates?in?Hg+from?Observations?of?Quantum?Jumps?in?a?Single?Ion，”Phys.Rev.Lett.，vol.59，pp.2732-2735，1987.)；激光斑圖案的空間分布的隨機(jī)特性也可以被用于二維真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生(見文獻(xiàn)A.J.Martino?and?G.Michael?Morris，“Optical?random?number?generator?based?on?photoevent?locations，”Appl.Opt.，vol.30，pp.981-989，1991.)。然而以上真隨機(jī)源存在放射性物質(zhì)使用的不方便、數(shù)據(jù)采集上的難度以及隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率較低、系統(tǒng)較復(fù)雜，不易構(gòu)成實(shí)用化模塊等不足，因此應(yīng)用范圍受到了限制。在各類量子物理隨機(jī)源中，基于光量子隨機(jī)特性的隨機(jī)源，具有嚴(yán)格意義上的真隨機(jī)性，且這類隨機(jī)源具有速率潛力大、穩(wěn)定性易于控制、實(shí)現(xiàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、容易產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)，是物理真隨機(jī)源的一個(gè)新興且重要的發(fā)展方向。

一個(gè)物理的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器無(wú)論是在計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，經(jīng)典信息安全領(lǐng)域以及未來(lái)的量子信息領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。近年來(lái)，隨著單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有不少基于光量子隨機(jī)特性的真隨機(jī)源的理論和實(shí)驗(yàn)方案公開發(fā)表。

奧地利Wein大學(xué)量子信息小組采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為單光子源、45°的光偏振分束器分光，高靈敏度的光電倍增管作為單光子探測(cè)器搭建了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的光學(xué)部分。設(shè)計(jì)了相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和計(jì)算機(jī)接口電路，并編制了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序(見文獻(xiàn)Thomas?Jennewein，Ulrich?Achleitner，Gregor?Weihs，Harald?Weinfurter，Anton?Zeilinger，“A?fast?and?compact?quantum?random?number?generator，”Review?of?Scientific?Instruments，vol.71，no.4，pp.1675-1680，Apr2000.)。該方案隨機(jī)數(shù)序列采集速率可達(dá)1Mbit/s，并且成功的將其運(yùn)用到量子保密通信實(shí)驗(yàn)中。