[發(fā)明專利]基于SFP收發(fā)一體的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711063647.9
• 申請(qǐng)日: 2017-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107817967A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 富堯;朱偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江神州量子網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
• 主分類號(hào): G06F7/58
• 分類號(hào): G06F7/58
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 解明鎧,劉靜靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于SFP收發(fā)一體的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

背景技術(shù)

隨機(jī)數(shù)在現(xiàn)代社會(huì)的很多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，在博彩、身份認(rèn)證、科學(xué)計(jì)算、密碼系統(tǒng)等一系列重要領(lǐng)域，高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)是不可或缺的。現(xiàn)有的主流隨機(jī)數(shù)生成方案基于計(jì)算機(jī)軟件，其在種子文件(一組隨機(jī)數(shù))的基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)生成一系列新的隨機(jī)數(shù)數(shù)。此類隨機(jī)數(shù)一般被稱為贗隨機(jī)數(shù)，因?yàn)楸举|(zhì)上其不具有任何隨機(jī)性。贗隨機(jī)數(shù)的廣泛應(yīng)用得益于其幾乎為零的成本以及相關(guān)程序可以簡(jiǎn)單應(yīng)用到各實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中。但是正由于其本質(zhì)的非隨機(jī)性，在任何安全相關(guān)的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用贗隨機(jī)數(shù)將面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在當(dāng)今計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力飛速躍進(jìn)的時(shí)代。因此在安全領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用真隨機(jī)數(shù)將極大提高系統(tǒng)的安全性。傳統(tǒng)上，除去上述贗隨機(jī)數(shù)亦可通過(guò)測(cè)量經(jīng)典物理噪聲源來(lái)獲取隨機(jī)數(shù)，例如電路熱噪聲。但是經(jīng)典物理學(xué)理論中并不存在任何隨機(jī)性，經(jīng)典物理噪聲源的隨機(jī)性源于系統(tǒng)的復(fù)雜性而非其本征具有任何隨機(jī)性，因此基于此的隨機(jī)數(shù)不能被稱為真隨機(jī)數(shù)。而且此類物理源隨機(jī)數(shù)生成速率偏慢，統(tǒng)計(jì)特性不佳，因而從未被大規(guī)模使用。

在物理學(xué)中，量子力學(xué)理論是本征包含隨機(jī)性的，因此通過(guò)測(cè)量量子物理學(xué)現(xiàn)象將可以得到真隨機(jī)數(shù)，這也是目前得到真隨機(jī)數(shù)的唯一途徑。一般將基于量子物理學(xué)現(xiàn)象的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器稱為量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，而自被提出以來(lái)，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也在不斷地發(fā)展。基于激光相位隨機(jī)漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被認(rèn)為是最接近于市場(chǎng)化的量子隨機(jī)數(shù)方案。其方案簡(jiǎn)潔，采用的器件皆為通用光學(xué)器件因而成本經(jīng)濟(jì)，同時(shí)生成隨機(jī)數(shù)的速率可以高達(dá)幾十Gbps且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

基于安全性的考慮，贗隨機(jī)數(shù)被量子隨機(jī)數(shù)取代將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。參見(jiàn)圖1，現(xiàn)有技術(shù)中基于激光相位隨機(jī)漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工作過(guò)程為：

1.外置的DFB激光器發(fā)出連續(xù)激光。

2.激光進(jìn)入干涉裝置進(jìn)行干涉。

3.利用光電探測(cè)模塊對(duì)干涉后的激光進(jìn)行測(cè)量。

4.FPGA的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)測(cè)量得到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣以得到原始的隨機(jī)數(shù)。

5.原始隨機(jī)數(shù)通過(guò)后處理模塊得到量子隨機(jī)數(shù)。

6.生成的量子隨機(jī)數(shù)通過(guò)端口輸出到相應(yīng)隨機(jī)數(shù)使用設(shè)備。

量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是量子信息領(lǐng)域的重要的基本器件，由于該技術(shù)為新興領(lǐng)域，因此現(xiàn)有主要研發(fā)以及關(guān)注方向是量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器工作的穩(wěn)定性以及量子隨機(jī)數(shù)的生成速率，但在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、降低成本、以及小型化方面缺少相關(guān)研究，這阻礙了量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，體積更小的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

一種基于SFP收發(fā)一體的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其特征在于，包括：

SFP，具有發(fā)射光信號(hào)的出射端，接收光信號(hào)的入射端以及輸出數(shù)字信號(hào)的輸出端；

干涉裝置，用于接收SFP出射端的光信號(hào)，經(jīng)干涉后發(fā)送至SFP入射端，將激光相位的隨機(jī)性轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度的隨機(jī)性；

FPGA，用于對(duì)SFP輸出端的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采集和后處理，最終生成量子隨機(jī)數(shù)。

本發(fā)明中，將現(xiàn)有技術(shù)中的光源部分以及經(jīng)干涉后的探測(cè)部分進(jìn)行了整合，采用一體化結(jié)構(gòu)的SFP，利用SFP內(nèi)置的DFB激光器光源發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)干涉后利用SFP的入射端接收，并在SFP內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，再經(jīng)由輸出端將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給FPGA；整體上簡(jiǎn)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有利于提高集成度、減小體積、降低設(shè)備成本。

作為優(yōu)選，所述SFP包括光發(fā)射裝置，以及光接收和處理裝置；

所述光發(fā)射裝置采用DFB激光器；光接收和處理裝置包括對(duì)信號(hào)依次處理的光測(cè)量裝置、跨阻放大器和限幅放大器，其中光測(cè)量裝置基于PIN光電二極管形式或基于APD光電二極管形式。

作為優(yōu)選，還設(shè)有與所述FPGA連接以輸出量子隨機(jī)數(shù)的端口輸出模塊。

端口輸出模塊例如可以采用網(wǎng)口、USB接口、光口等形式。

就SFP以及FPGA本身而言，可以采用現(xiàn)有技術(shù)，在本發(fā)明隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中為了適應(yīng)SFP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)干涉裝置進(jìn)行了改進(jìn)，作為優(yōu)選，所述干涉裝置為分束器，該分束器包括兩入射端以及相應(yīng)的兩出射端，其中：

第一入射端通過(guò)第一光纖與SFP出射端相連；

第一出射端通過(guò)第二光纖與第二入射端相連；

第二出射端與SFP入射端相連，來(lái)自第一入射端和第二入射端的光信號(hào)經(jīng)干涉后由該第二出射端輸出至SFP入射端；