[實用新型]基于激光相位波動的超高速量子隨機數發生器

有效

• 申請號: 201520476636.3
• 申請日: 2015-06-30
• 公開（公告）號: CN204759398U
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 發明（設計）人: 張軍;聶友奇;潘建偉
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學先進技術研究院
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本實用新型涉及超高速的量子隨機數產生技術，具體涉及基于激光相位波動的超高速量子隨機數發器。

背景技術

隨機數是一種廣泛使用的基礎資源，而隨機數發生器就是用來產生隨機數序列的一種器件。性能良好的隨機數發生器在眾多領域比如量子通信、密碼學、博彩業、蒙特卡洛模擬、數值計算、隨機抽樣等都有著廣泛而重要的應用。

根據隨機數的特性，隨機數可以分為兩類：偽隨機數和真隨機數。偽隨機數通常由基于某特定初值的算法產生，對于確定的算法和對算法賦予的初值，其隨機數序列是確定的，所以本質上并非真正的隨機數序列。因此無法用于某些對于安全性要求較高的領域。

真隨機數通常具有以下三個特征：不可預測性、不可重復性、無偏性。真隨機數發生器通常需要基于真實的具有自然隨機性的物理系統，而物理系統又可以分為經典的與量子的。基于量子物理系統的量子隨機數發生器，其隨機性來源清晰、客觀、安全，特別適合對于隨機性要求較高的應用場景，是近年來的發展方向。

現有的量子隨機數發生器方案中，基于單光子路徑選擇的方案，其比特率達為1Mbps量級，而基于光子到達時間的方案，其比特率達到了100Mbps量級。對于下一代高速量子通信系統，需要的隨機數達到10Gbps以上，這就需要新的技術方案來滿足對比特率的需求。

實用新型內容

本實用新型的首要目的在于提供一種基于激光相位波動的超高速量子隨機數發器，包括激光光源、雙光束干涉儀、相位控制系統、光電探測器和模數轉換器，其中，

所述雙光束干涉儀包括環形器、分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，

所述分束器包括設置在輸入側的第一端口B1、第二端口B2和設置在輸出側的第三端口B3、第四端口B4；

相位控制系統包括壓控移相器，所述第一端口B1與所述相位控制系統的輸入端采用光纖耦接；所述第三端口B3依次與所述壓控移相器和第一反射鏡光纖連接，所述第四端口B4與所述第二反射鏡光纖連接；

所述環形器的輸入端C1與激光光源的輸出端采用光纖耦接，所述環形器的收發復用端C2與所述第二端口B2采用光纖耦接，所述環形器的輸出端C3與所述光電探測器的輸入端采用光纖耦接；

所述光電探測器的輸出端與所述模數轉換器的輸入端連接。

所述相位控制系統還包括依次連接的光功率計、PID控制器和壓電控制器，所述光功率計的輸入端與所述第一端口B1采用光纖耦接，所述壓電控制器的輸出端與所述壓控移相器的控制端連接。

所述激光光源用于將激光束輸出到所述雙光束干涉儀中，

所述雙光束干涉儀用于使輸入的激光束發生雙光束干涉，并將發生干涉的光束分成兩束光束輸出，其中一束光束輸出到相位控制系統，另一束光束輸出到光電探測器；

所述相位控制系統包括設置在所述雙光束干涉儀的其中一個干涉光路上的壓控移相器，所述相位控制系統用于根據輸入的光束調節所述壓控移相器的電壓，從而使雙光束干涉儀的兩個干涉光路上的光束的相位差保持在預定值；

所述模數轉換器用于將所述光電探測器輸出的信號轉換為數字信號，根據所述數字信號生成原始隨機數序列。

所述分束器用于將輸入到所述第二端口B2的光束分成兩束，分別從所述第三端口B3和第四端口B4輸出，所述分束器還用于使所述第三端口B3和第四端口B4返回的光束發生干涉后分成兩束光束，其中一束光束從所述第一端口B1輸出到所述相位控制系統，另一束光束從所述第二端口B2輸出到所述光電探測器。

進一步地，所述雙光束干涉儀還包括環形器，所述環形器的輸入端C1用于接收激光光源輸出的激光束；

所述環形器的收發復用端C2用于將輸入端C1接收的激光束輸出到所述第二端口B2，所述環形器21的收發復用端C2還用于將從所述第二端口B2輸出的光束輸出到環形器21的輸出端C3，

所述環形器的輸出端C3用于將輸入的光束輸出到所述光電探測器。

所述光功率計的輸入端用于接收所述第一端口B1輸出的光束。

所述第一端口B1與所述相位控制系統的輸入端采用光纖耦接。

所述第四端口B4、壓控移相器和第一反射鏡形成第一干涉光路，所述第三端口B3和第一反射鏡形成第二干涉光路；

所述環形器的輸入端C1與激光光源的輸出端連接，所述環形器的收發復用端C2與所述第二端口B2連接，所述環形器的輸出端C3與所述光電探測器的輸入端連接；

所述第一端口B1與所述相位控制系統的輸入端采用光纖耦接。

優選地，所述分束器的分光比為50:50。