[實用新型]一種量子隨機數發生器

有效

• 申請號: 201621128509.5
• 申請日: 2016-10-17
• 公開（公告）號: CN206209694U
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 馬雄峰;周泓伊
• 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: 北京德琦知識產權代理有限公司11018
• 代理人: 陳攀,王琦

技術領域

本實用新型涉及量子隨機數生成技術領域，尤其涉及一種量子隨機數發生器。

背景技術

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，現代社會中有很多用到隨機數的場合。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。但是，現有技術中所使用的經典方法一般只能產生偽隨機數，即往往是基于某些算法產生的偽隨機數，這些偽隨機數是可以被預測的。而且，從其原理上來看，偽隨機數實際上只是“看起來像”隨機數，也就是說，以現在的科學技術水平，在有限的時間內，只有非常小的可能性區分出偽隨機數與真隨機數之間的不同。但是，由于從本質上來看，偽隨機數與真隨機數的熵是不同的，因而在很多領域并不能直接使用偽隨機數，從而無法在安全通訊(例如，量子通信)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。雖然這樣產生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得到保證。

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。

在現有技術中，主要是采用對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。例如，根據ID-Quantique隨機數發生器的白皮書所述，發光二極管向分束器(Beam Splitter)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。

但是，現有技術中的量子隨機數發生器大多采用單光子探測的方法，不僅需要相信光源的隨機性，而且最終的隨機數產生速率也受到單光子探測器死時間(dead time)的制約。因此，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。

實用新型內容

有鑒于此，本實用新型提供了一種量子隨機數發生器，從而可以保證源包含足夠的量子隨機性，由此而產生的隨機數的真隨機性也可以得到切實的保障。

本實用新型的技術方案具體是這樣實現的：

一種量子隨機數發生器，其特征在于，該量子隨機數發生器包括：單光子源、第一分束器、第一單光子探測器和第二單光子探測器；

所述單光子源，用于隨機輸出頻率調制的單光子脈沖或時間調制的單光子脈沖；

所述單光子源的輸出端與所述第一分束器的輸入端連接；

所述第一分束器的第一輸出端通過等離子體介質與所述第一單光子探測器連接；所述第一分束器的第二輸出端與所述第二單光子探測器連接；

所述第一單光子探測器的輸出端為隨機數輸出端；或者，所述第二單光子探測器的輸出端為隨機數輸出端。

較佳的，第一單光子探測器和第二單光子探測器均為具有分辨光子到達時間功能的單光子探測器。

較佳的，所述第二單光子探測器，還用于測量單光子脈沖的到達時間；

所述第一單光子探測器，還用于通過測量單光子的到達時間來計算出單光子脈沖的中心頻率。

較佳的，當所述第一單光子探測器的輸出端為隨機數輸出端時，所述第二單光子探測器的輸出端為隨機性檢驗端；

當所述第二單光子探測器的輸出端為隨機數輸出端時，所述第一單光子探測器的輸出端為隨機性檢驗端。

較佳的，所述單光子源包括：中心頻率調制器、發射時間調制器、第二分束器和觸發器；

所述中心頻率調制器，用于輸出頻率調制的單光子脈沖；

所述發射時間調制器，用于輸出時間調制的單光子脈沖；

所述觸發器分別與所述中心頻率調制器和發射時間調制器連接，用于隨機觸發所述中心頻率調制器或發射時間調制器向所述第二分束器輸出單光子脈沖；

所述第二分束器的第一輸入端與所述中心頻率調制器的輸出端連接；所述第二分束器的第二輸入端與所述發射時間調制器S2的輸出端連接；所述第二分束器的輸出端與所述第一分束器的輸入端連接。

較佳的，所述中心頻率調制器和發射時間調制器均為脈沖激光器。