[發(fā)明專利]一種量子隨機數(shù)發(fā)生器及量子隨機數(shù)生成方法

在審

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• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106843804A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬雄峰;周泓伊
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 北京德琦知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11018
• 代理人: 陳攀,王琦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子隨機數(shù)發(fā)生器及量子隨機數(shù)生成方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代社會中有很多用到隨機數(shù)的場合，隨機數(shù)在經(jīng)濟、科學、國防、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域扮演著重要的角色。具體而言在統(tǒng)計分析、工業(yè)和科學領(lǐng)域的仿真、密碼學、生活中的博彩業(yè)等各方面都有非常重要的應用。經(jīng)典的方法只能產(chǎn)生偽隨機數(shù)，從其原理上來看，這些隨機數(shù)往往是基于某些算法產(chǎn)生的偽隨機數(shù)，偽隨機實際上只是“看起來像”隨機數(shù)，也就是以現(xiàn)在的科學技術(shù)水平下在有限的時間內(nèi)，只有非常小的可能性區(qū)分出偽隨機數(shù)和隨機數(shù)的不同。但是，從本質(zhì)上它們的熵是不同的，偽隨機數(shù)是可以被預測的，因而在很多領(lǐng)域并不能直接使用偽隨機數(shù)，因為無法在安全通訊等領(lǐng)域里保證絕對的安全性。根據(jù)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、放射性衰變等等也可以來產(chǎn)生隨機數(shù)。雖然這樣的隨機數(shù)不會隨著計算能力的發(fā)展而產(chǎn)生風險，但其隨機性并沒有從本質(zhì)上得到保證。在一些特定場合，如量子通信，這種隨機數(shù)也是不安全的。因此，需要量子隨機數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生真隨機數(shù)。

根據(jù)量子力學的基本原理，量子隨機數(shù)產(chǎn)生器可以產(chǎn)生真隨機數(shù)。在過去的十幾年間，有很多的量子隨機數(shù)發(fā)生器方案被提出，例如，利用單光子探測、量子非局域性和真空態(tài)的統(tǒng)計漲落產(chǎn)生真隨機數(shù)的技術(shù)方案都已經(jīng)實驗成功。同時，商業(yè)量子隨機數(shù)發(fā)生器，例如ID-Quantique system，已經(jīng)進入市場。但是，值得指出的是，此類量子隨機數(shù)產(chǎn)生器的速度受到單光子探測器死時間的制約，只能達到Mbps量級。

在現(xiàn)有的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器方案中，基于測量激光器相位漲落的隨機數(shù)發(fā)生器可以達到最快的隨機數(shù)產(chǎn)生率。此類量子隨機數(shù)產(chǎn)生器的實驗實現(xiàn)是搭建在光學平臺上，通過馬赫—曾德(MZ)干涉儀將激光中自發(fā)輻射的相位漲落轉(zhuǎn)化為強度漲落，通過測量這個強度漲落來產(chǎn)生隨機數(shù)。然而，此方案仍停留在實驗室階段，沒有達到商用化。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種量子隨機數(shù)發(fā)生器及量子隨機數(shù)生成方法，從而使得隨機數(shù)產(chǎn)生率可以達到Gbps量級，同時還可以大大降低制造成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的：

一種量子隨機數(shù)發(fā)生器，該量子隨機數(shù)發(fā)生器包括：連續(xù)波激光器、MZ干涉儀、光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述連續(xù)波激光器，用于輸出連續(xù)的激光信號；

所述MZ干涉儀，用于將所述連續(xù)波激光器輸出的激光信號中的相位漲落轉(zhuǎn)化為強度漲落，并將具有強度漲落的激光信號發(fā)送給所述光電探測器；

所述光電探測器，用于根據(jù)接收到的激光信號的強度漲落生成相應的電信號，從而將激光束的光強轉(zhuǎn)化為電信號；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將連續(xù)的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并根據(jù)數(shù)字信號生成隨機數(shù)序列。

較佳的，所述連續(xù)波激光器的泵浦電流高于預設(shè)的閾值。

較佳的，所述MZ干涉儀集成在一個芯片上。

較佳的，所述量子隨機數(shù)產(chǎn)生器集成在一個芯片上。

本發(fā)明中還提供了一種量子隨機數(shù)生成方法，該方法包括如下步驟：

通過連續(xù)波激光器生成連續(xù)的激光信號；

通過MZ干涉儀將由連續(xù)波激光器生成的激光信號中的相位漲落轉(zhuǎn)化為強度漲落，生成具有強度漲落的激光信號；

通過光電探測器根據(jù)接收到的激光信號的強度漲落生成相應的電信號；

通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并根據(jù)數(shù)字信號生成隨機數(shù)序列。

較佳的，所述連續(xù)波激光器的泵浦電流高于預設(shè)的閾值。

較佳的，該方法還進一步包括：

根據(jù)光電探測器輸出的電信號中的量子信號與經(jīng)典噪聲，設(shè)置激光器輸出功率，確定量子信號與經(jīng)典噪聲的比例，進而計算出量子信號的數(shù)字特征。

較佳的，該方法還進一步包括：

通過測出總信號的方差，計算出量子信號的方差；

根據(jù)最小熵公式計算出產(chǎn)生的隨機數(shù)中的隨機性。