[發明專利]量子圖像傳感器量子隨機數生成

在審

• 申請號: 201780042100.2
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN110325960A
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 恩納·阿姆里;雅辛·費爾克;達米安·斯圖克奇;馬佳居;埃里克·R·福薩姆
• 申請（專利權）人: ID量子技術公司;達特茅斯學院董事會
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王洵

一些實施例提供了用于基于單比特或多比特量子圖像傳感器(QIS)的量子隨機數生成的方法和裝置，該QIS在時間間隔內針對QIS的像素陣列的每個像素提供單光子計數，其中基于在該時間間隔內針對每個像素計數的光子數生成隨機數數據。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2017年5月5日提交的美國臨時申請No.62/332,077的權益，其通過引用整體并入本文，以用于每個PCT成員國和地區的目的，其中，這樣通過引用的并入被許可或以其他方式不被禁止。

技術領域

本公開一般涉及隨機數生成(RNGn)，使用光檢測器的隨機數生成，并且更具體地，涉及基于高隨機、非確定性的基于光子激射的隨機數生成。

背景技術

生成高質量的隨機數對于諸如密碼學、科學計算(蒙特卡羅數值模擬)和投機的若干應用變得越來越重要。隨著計算機使用領域的擴展和電子通信網絡的快速發展，這類應用的數量迅速增長。例如，密碼學是最迫切需要的應用之一。這涉及用于確保通信的保密性、真實性和完整性的算法和協議，它們需要真隨機數來生成加密。然而，使用確定性算法(例如，偽隨機數發生器(PRNG))不能獲得高質量的隨機數；相反，可以依賴實際的物理過程來生成高質量的隨機數。最可靠的過程是根本上隨機的量子物理過程。實際上，亞原子粒子在量子水平上的行為的內在隨機性是自然界中為數不多的完全隨機過程之一。通過將隨機數發生器(RNG)的結果與量子粒子的隨機行為聯系起來，可以保證真正無偏且不可預測的系統，其可以被稱為量子隨機數發生器(QRNG)。

光子激射是泊松過程，并且已經被用作RNGn中的隨機源。在先前基于光子激射的RNGn技術中使用的光子探測器包括單光子雪崩二極管(SPAD)和傳統的CMOS圖像傳感器(CIS)。SPAD可以提供單光子檢測能力并基于光子量子效應實現QRNGn，但是相對大的尺寸(例如，SPAD陣列中的7-20μm像素間距)限制了每單位面積尺寸的數據輸出速率。而且，SPAD中的高暗計數率(例如，-1000計數/秒)降低了隨機性質量。傳統的CIS受到讀出電子器件中相對高的噪聲基底(例如，＞1e-r.m.s.)的限制，并且不具有單光子檢測能力。在這種情況下，光子信號明顯被讀噪聲破壞，并且由于讀噪聲也是隨機分布的，使用傳統CIS的RNGn過程不是完全基于量子效應的，因此限制了輸出的隨機性質量和穩定性。

因此，需要對QRNG進一步研究和改進，以例如提供更充分地利用和/或實現基于量子的隨機性的QRNG。并且，這樣的研究和改進可以增大光子計數精度、降低噪聲、減少暗電流、增大輸出數據速率和/或增大可擴展性。

發明內容

為了例如解決QRNG的上述和/或其他限制中的至少一個或多個，本公開的一些實施例提供了用于基于單比特或多比特量子圖像傳感器(QIS)的量子隨機數生成的方法和裝置，所述QIS提供在時間間隔內針對QIS的像素陣列的每個像素的的單光子計數，其中基于針對每個像素在該時間間隔內計數的光子數生成隨機數數據。

在一些實施例中，QRNG包括：(i)QIS，所述QIS包括像素陣列，其中每個像素被配置為將入射在所述像素上的單個光子轉換為存儲在所述像素中的單個光電荷載流子(電子或空穴)，并且其中所述QIS被配置為以單個光電荷載流子靈敏度(從而，提供單光子靈敏度)從每個像素讀出光電荷載流子(如果在時間間隔內有光電荷載流子存儲在該像素中)，以便生成與所存儲的光電荷載流子的數量相對應的像素信號(例如，模擬電壓信號或數字數/信號)；以及(ii)比較電路，被配置為針對每個像素將像素信號與閾值電平進行比較(例如，在模擬或數字域中)，以便針對每個像素生成具有二進制值的比特，所述二進制值取決于像素信號是小于閾值電平還是不小于閾值電平，其中所述二進制值基于閾值電平基本上是等概率的，從而提供具有高質量隨機性的二進制輸出數據(例如，比特熵約為1)。

比較電路的全部或部分可以與QIS的像素陣列單片集成；在一些實施例中，QIS讀出電路可以包含或包括比較電路。