[發明專利]多模激光腔中的量子隨機數生成的方法

在審

• 申請號: 201680062838.0
• 申請日: 2016-09-28
• 公開（公告）號: CN108352677A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 瓦萊里奧·普魯內里;卡洛斯·艾貝蘭;瓦爾迪瑪爾·阿瑪亞;摩根·威爾弗雷德·米切爾
• 申請（專利權）人: 光子科學研究所基金會;加泰羅尼亞高等研究院
• 主分類號: H01S5/062
• 分類號: H01S5/062;G06F7/58;H01S5/065;H04L9/08
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 周靖;楊明釗

本發明基于用于通過量子隨機數生成器產生隨機數的方法和系統，該方法和系統包括以下步驟：通過電脈沖驅動器在增益切換機制下操作多模激光器，并且通過激光腔內發生的模式間拍頻檢測產生的隨機強度型式。生成的數字是真正隨機的，操作所述系統需要的元件數量最少。

描述

發明領域

本發明涉及隨機數生成器(RNG)，具體涉及基于具有可變增益或損失的多模激光腔中的量子可觀測量的固有隨機性的生成器。

現有技術

隨機數形成缺乏任何型式、隨機出現的數字或符號的序列。隨機數生成器(RNG)是設計用于生成隨機數的計算或物理設備。可以將RNG分類為偽RNG(PRNG)、計算算法和真RNG(TRNG)。TRNG是物理設備，可以細分為基于經典確定性定律的經典RNG(CRNG)和基于量子效應的量子RNG(QRNG)。

目前商業化的RNG設備是基于單光子空間分布[1]、半導體激光器中的混沌動力學[2]、CMOS亞穩態[3]、單光子探測器陣列中的單光子探測[4]或半導體激光器中的相位擴散[5,6]，以及其他許多方案。

Pruneri等人的專利申請“ultrafast quantum random number generator andsystem thereof”[5]公開了基于測量脈沖單模半導體激光器中量子相位擴散的QRNG。通過將激光從閾值以下調制到閾值以上，生成具有幾乎相同強度和完全隨機化相位的光學脈沖。然后，通過使用外部干涉儀，將隨機相位轉換為隨機振幅，可以使用PIN檢測器將隨機振幅數字化。除了一個激光源和干涉儀，兩個激光源可以與組合器一起使用。該技術允許超快速操作方式，最近的出版物顯示比特率高達40-80Gbps[7,8]。然而，需要在發射和耦合光學器件中光譜匹配的外部干涉測量元件或兩個激光器使得布局復雜化，因為它增加了元件的數量，QRNG裝置的整體尺寸以及在一些情況下QRNG的性能受組件穩定性的影響。例如，在兩個激光器的情況下，它們的發射波長譜必須窄(單模)，隨著時間推移匹配和維持，并且由于固有的不穩定性和環境變化，這并不總是容易實現的。

因此需要更小的形狀因子的RNG源，其具有維持超快速和量子力學熵性質的減小的尺寸(覆蓋區)。

發明概述

本發明的目的是提供一種用于量子隨機數生成的方法和系統，因此克服了現有技術的限制。本發明基于將多模激光器的模式的隨機相位變換成可以用快速光電二極管檢測的隨機強度型式。為此目的，本發明包括以下步驟：利用多模激光器，其每次往返的凈增益通過電脈沖驅動器從正值到負值連續地調制，反之亦然；在比腔體的往返時間更長的時間段保持每個往返的凈增益為正；在比腔體的往返時間更長的時間段保持每個往返的凈增益為負；并且利用快速光電二極管(PIN)檢測激光腔的縱向模式之間的產生的拍頻型式。

用于實施本發明的多模激光器有許多不同的方案，例如法布里珀羅腔半導體激光器，其多模響應通過適當的波長選擇反射器或包括用于模式選擇的光纖布拉格光柵和半導體光學放大器的光纖環激光器實現為增益媒介。具有至少兩種模式的任何激光腔原則上都是合適的，只要該至少兩種模式中的至少一種模式中的凈增益(即，腔體中的增益和損耗之間的差異)可以被適當地調制，特別是以實現足夠負的凈增益值以及相應的大相位擴散。

為了調制凈增益，可以調制激光器增益、腔體損耗或者激光器增益和腔體損耗兩者。在每個調制周期中，激光器經歷兩種穩定的工作方式：(i)超過閾值，其中多模激光器的不同縱向模式將產生以頻率間隔和模式之間的相對相位為特征的隨機強度型式，以及(ii)低于閾值，其中激光腔場被強制以自發發射方式進行操作，以這種方式重置和隨機化下一個調制周期的模式之間的相對相位。沒有成功地使激光低于閾值并在與往返時間相比足夠長的時間將其保持在這種條件下使得受激發射光子在生成新的受激發射脈沖之前離開腔體將引入后續的脈沖的型式之間的相關性。多虧本發明，可以在沒有任何外部或干涉測量元件下提供量子數，具有非常緊湊(小覆蓋區)的系統，特別是當集成光子電路被用于構建它時。

附圖簡述