[發明專利]源無關量子隨機數的產生方法及裝置

有效

• 申請號: 201410449817.7
• 申請日: 2014-09-04
• 公開（公告）號: CN104238996B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 馬雄峰;曹竹;袁驍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明涉及隨機數測量技術領域，特別涉及一種源無關量子隨機數的產生方法及裝置。

背景技術

在現代信息社會中，隨機數在經濟、科學、國防、工業生產等各個領域扮演著重要的角色。具體而言在統計分析、工業和科學領域的仿真、密碼學、生活中的博彩業等各方面都有非常重要的應用。經典的方法只能產生偽隨機數，從其原理上來看，偽隨機實際上只是“看起來像”隨機數，也就是以現在的科學技術水平下在有限的時間內，只有非常小的可能性區分出他們的不同。但是從本質上它們的熵是不同的，因而在很多領域并不能直接使用偽隨機數，因為無法在安全通訊等領域里保證絕對的安全性。

根據物理過程的隨機性，例如使用電子元件的噪音、核裂變宇宙噪聲、電路的熱噪聲、放射性衰變等等可以來產生隨機數。雖然這樣的隨機數不會隨著計算能力的發展而產生風險，但其隨機性并沒有從本質上有保證。

根據量子力學的基本原理，量子隨機數產生器可以產生真隨機數。在過去的十幾年間，有很多的量子隨機數發生器方案被提出，比如利用單光子探測，量子非局域性和真空態的統計漲落都已經實驗成功。同時，商業量子隨機數發生器，比如ID-Quantique system，已經進入市場。但是值得指出的是，這些量子隨機數產生器都不可避免地依賴于對模型的假設，以及對設備裝置完美的要求。

在眾多量子隨機數產生器中，單光子探測的方法是最簡單的。它主要包括兩個部分，源和測量裝置。在單光子探測量子隨機數產生器中，源向探測器發出Z基矢的態，探測器緊接著使用X基矢進行測量。如前所述，根據量子力學的基本原理，探測器得到的結果為真隨機數。但是如果源不包含隨機性(如源發出X基矢的態)，那么測量得到的結果只能是一個固定的串，不包含任何的隨機性。因此，在單光子探測隨機數產生器中，源的隨機性很關鍵。

然而在實際應用中，很難在實際中保證源包含足夠的量子隨機性，由此產生的隨機數也沒有得到保障。目前，主要是采用將已知源直接進行量子測量的方法，來產生由量子力學原理保障的真隨機數，具體有下面兩種方法：

方法一：如ID-Quantique隨機數發生器的白皮書所述，發光二極管向半透半反的鏡子發射單光子，并由兩個單光子探測器來分別檢測被透射或被反射的光子。由于一個單光子會透射還是反射本質上是一個量子效應，因而得到真隨機數。

方法二：如申請人之一之前發表的科研論文中所述，低亮度的激光中的相位漲落通過PLC-MZI后轉化為光強漲落，繼而由光強探測器測出光強并使用ADC將其轉成8位的二進制串。在當激光足夠弱時，量子相位漲落遠多于經典漲落，因此可以產生真隨機數。

上述的方法一和方法二中，都需要對源進行假設。其中方法一中需要假設源是單光子源，方法二中需要假設激光的相位漲落的確是量子的，并多于經典漲落，也即是對源的假設。而這些對源的假設在實際中無法驗證，從而可能造成產生的隨機數的隨機性有很大漏洞。而且即使這些假設成立，也很難在實際中保證源包含足夠的量子隨機性，由此產生的隨機數也沒有得到保障。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種源無關量子隨機數的產生方法，該方法無需依賴對源的假設，能夠產生由量子力學保證的真隨機數，并且該方法能夠容忍高信道損失，具有很高的實用價值。

本發明的另一個目的在于提供一種源無關量子隨機數的產生裝置。

為了實現上述目的，本發明第一方面的實施例提出了一種源無關量子隨機數的產生方法，包括以下步驟：接收端接收源發射的光子信號，并將所述光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號；對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對所述X基矢或Z基矢進行投影測量；根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率；根據所述X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串；獲取所述部分隨機的二進制串的最小熵，并進行后處理以得到完全隨機的二進制串。

根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生方法，不對源做任何假設(即源無關)，并采用隨機改變基矢的測量儀器來取代原始固定基矢的測量儀器，從而在獲取隨機數的同時保證了源的正確性。另外，該方法還可以容忍高的信道損失，具有很高的實用價值。

另外，根據本發明上述實施例的源無關量子隨機數的產生方法還可以具有如下附加的技術特征：