[發明專利]一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的裝置與方法

有效

• 申請號: 201710612909.6
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107203366B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 劉香蓮;王云才;李璞;郭曉敏;郭龑強;張建國
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;曹一杰

一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的產生方法是將產生的混沌激光利用基于半導體光放大器?非線性偏振旋轉效應（SOA?NPR）的全光采樣系統進行采樣，然后利用基于非線性偏振旋轉效應（NPR）的全光量化器對采樣后的脈沖進行量化，在光域內獲得隨機數。本發明所述的裝置包括激光混沌源、全光采樣器及全光量化器。本發明完全在光域內進行，可突破電子瓶頸限制，實時產生全光高速隨機碼。產生的隨機碼可與光通信網絡中的光信號直接兼容，滿足現代高速通信安全的需要。

技術領域

本發明涉及全光物理隨機數，具體為一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的裝置及方法，可用于統計抽樣、蒙特卡洛模擬、隨機模型、信息通信安全等諸多領域。

背景技術

在信息安全、復雜數值模擬、密碼學及博彩等領域，隨機數充當著一個重要的角色。特別是隨著社會信息化程度的提高和光纖通信技術的不斷發展，信息通信安全問題已經上升為關系國家安危的重要課題。目前單信道的傳輸速率已達到40Gbps，下一代光纖通信網絡單信道的傳輸速率將達到100Gps，因此產生高速隨機數是保密通信技術發展的必要條件。

按產生隨機數的機理不同，隨機數發生器可分為兩大類：偽隨機數發生器和物理真隨機數發生器。

利用計算機，通過某些算法或組合可方便地獲得偽隨機數(PRNG)。隨著算法的改進和計算機運算能力的提高，目前已可獲得2⁸⁰⁰-1碼長的PRNG。經過合理設計PRNG，可以在一定程度上保證攻擊者在有限的計算資源下無法破譯。但是，PRNG是由種子通過一個確定的算法生成的，并不是真正意義的隨機數。然而，不管采用多么精巧的設計，偽隨機數序列終究無法改變其確定性的本質。一旦生成最終結果的算法或種子被獲取，或是攻擊者有了更強的計算資源及破解算法，那么偽隨機數序列的不確定性就會大幅降低，而基于偽隨機數序列的安全防御就會出現嚴重的漏洞。隨著計算機運算能力的不斷提高，用偽隨機數作為密鑰被破解的事件也層出不窮。例如我國王小云教授曾先后破解了全球廣泛用于計算機安全系統的MD5和SHA-1兩大密碼算法。

為了解決偽隨機序列的周期性和確定性等問題，人們利用自然界物理現象提取產生無法復制、非周期、不可預測的真隨機數。已用過物理現象也多種多樣，比如早期的鼠標抖動，后來采用的大氣噪聲，電子噪聲，頻率抖動，輻射衰變，單光子發射/探測等等。此外，利用量子力學基本量的完全隨機性以及采集生物的無規律行為也可以用作真隨機數發生器的熵源。然而早期的研究成果受限于選用的物理熵源，或是采樣提取手段，使得隨機數序列的生成碼率很低，無法適應實際需求。至2003年，通過采用高速電子振蕩器的頻率抖動作為物理熵源，實現了速率達到10Mbit/s的隨機數序列產生，幾乎已經達到了當時真隨機數發生器速率的極限。

2007年申請人課題組首次提出用光反饋半導體激光器產生的寬帶混沌激光作為真隨機數發生器物理源，構造快速真隨機數發生器。2008年開始,基于混沌激光產生的物理真隨機數的速率能夠達到Gbit/s的量級，隨后以色列巴依蘭大學I.Reider等人、香港城市大學陳仕俊小組、日本埼玉大學A.Uchida小組、希臘雅典大學A.Argyris小組、西南大學以及申請人課題組都對基于混沌激光產生高速的物理真隨機數進行了大量研究。但是以上的混沌激光信號都在電域內進行量化處理，受“電子瓶頸”的限制，速率的提升空間有限。因此有必要開發一種速率不受電子瓶頸限制的隨機數產生裝置及方法。

發明內容

本發明為解決目前產生隨機數的速率受“電子瓶頸”的限制，提供一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的裝置與方法。

本發明所述一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的裝置是采用以下技術方案實現的：一種基于混沌激光產生全光高速隨機數的裝置，包括一個混沌激光發射裝置、與混沌激光發射裝置輸出端相連接的全光采樣器以及與全光采樣器輸出端相連接的利用基于非線性偏振旋轉效應(NPR)構建的全光量化器；