[發(fā)明專利]一種使用光開關(guān)的源無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810076625.4
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108182051A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喻松;鄭子勇;張一辰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種使用光開關(guān)的源無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案，用于高效、可實(shí)時監(jiān)控地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性與源無關(guān)的真隨機(jī)數(shù)制備。其實(shí)現(xiàn)步驟如下，步驟1：光開關(guān)交替將激光輸出的光信號接入到光路1或光路2，其中一路接無源相移器，以此實(shí)現(xiàn)0和π/2的相位切換；步驟2：兩光路接入50:50耦合器的兩輸入端，光開關(guān)切換時，實(shí)際僅有一端輸入信號，另一端懸空，采用平衡零拍探測器檢測耦合器輸出信號，采集相應(yīng)結(jié)果，一路用于計算最大熵，另一路結(jié)合已得最大熵估算可提取隨機(jī)數(shù)比率并提取真隨機(jī)數(shù)。本方案通過光開光和無源相移器實(shí)現(xiàn)0和π/2的相位切換，并由此估算原始數(shù)據(jù)中安全條件最小熵的下界，從而實(shí)現(xiàn)最終制備的隨機(jī)數(shù)的安全性與源無關(guān)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子隨機(jī)數(shù)生成領(lǐng)域，特別涉及基于連續(xù)型量子源制備真隨機(jī)數(shù)且系統(tǒng)安全性與源無關(guān)的方案，尤其是一種基于連續(xù)型量子源實(shí)時估算真隨機(jī)數(shù)比率并產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，且系統(tǒng)安全性與源無關(guān)的方案。

背景技術(shù)

隨機(jī)數(shù)在數(shù)值模擬、統(tǒng)計抽樣、博彩、加密等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它的隨機(jī)性影響著各種應(yīng)用的性能。特別在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，高速實(shí)時的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是保證系統(tǒng)無條件安全及高性能的重要基礎(chǔ)。怎樣安全可靠地產(chǎn)生高速、真隨機(jī)的隨機(jī)序列是密碼學(xué)領(lǐng)域重要的研究方向，具有重要的理論研究價值和迫切的實(shí)際應(yīng)用需求。量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器基于量子力學(xué)理論內(nèi)在的隨機(jī)性，理論可證能產(chǎn)生具有真正不可預(yù)測性的無窮長真隨機(jī)數(shù)序列。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于器件的非理想性導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)的安全性存在漏洞，如何克服這些安全漏洞就顯得尤為總要。

現(xiàn)有的多數(shù)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案，或者忽略器件的非理想性，完全信任非理想設(shè)備；或者完全不信任各設(shè)備，此時雖然有較高的安全性，然而實(shí)際隨機(jī)數(shù)生成速率極低，不適用于實(shí)際應(yīng)用。考慮在實(shí)際應(yīng)用中，安全性漏洞可能僅會存在于系統(tǒng)中的某個器件上，對他們進(jìn)行單獨(dú)的分析研究極有必要。

由于實(shí)際源并不理想，且有可能為竊聽者所竊聽或直接制備，為了使隨機(jī)數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)的安全性與源無關(guān)，且能實(shí)時高效的制備優(yōu)質(zhì)安全的真隨機(jī)數(shù)，我們提出了一種使用光開關(guān)的源無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案。本方案通過光開光和無源相移器實(shí)現(xiàn)0和π/2的相位切換，利用其中一路的測量數(shù)據(jù)評估最大熵，根據(jù)該最大熵實(shí)時計算另一路數(shù)據(jù)中條件最小熵的下界，利用這一實(shí)時下界值對該次探測結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)提取，從而實(shí)現(xiàn)高效安全可監(jiān)控的隨機(jī)數(shù)生成。本方案具有系統(tǒng)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，安全性有保證，且隨機(jī)數(shù)制備速率快等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

針對實(shí)際量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中的源制備的非理想性，本發(fā)明提出了一種使用光開關(guān)的源無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案，是一種通過光開關(guān)和無源相移器實(shí)現(xiàn)切換測量兩個正交的分量，并用其中一個正交分量的測量值計算最大熵，另一個正交分量的測量值結(jié)合已得最大熵計算條件最小熵的下邊界，從而獲取源無關(guān)的可提取真隨機(jī)數(shù)含量比率，并以此進(jìn)行隨即提取生成隨機(jī)數(shù)。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供的一種使用光開關(guān)的源無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案，包括二個步驟

步驟1：光開關(guān)交替將激光輸出的光信號接入到光路1或光路2，其中一路接無源相移器，以此實(shí)現(xiàn)0和π/2的相位切換；

步驟2：兩光路接入50:50耦合器的兩輸入端，光開關(guān)切換時，實(shí)際僅有一端輸入信號，另一端懸空，采用平衡零拍探測器檢測耦合器輸出信號，采集相應(yīng)結(jié)果，一路用于計算最大熵，另一路結(jié)合已得最大熵估算可提取隨機(jī)數(shù)比率并提取真隨機(jī)數(shù)。

上述步驟按照順序依次進(jìn)行。

所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將光信號進(jìn)行0和π/2的相位切換，是指使用光開關(guān)和無源相移器實(shí)現(xiàn)光路1和光路2接入耦合器的光信號為兩個正交的分量，步驟1包括如下步驟：

步驟1a：預(yù)先規(guī)定光開關(guān)切換規(guī)則，光開關(guān)根據(jù)既定規(guī)則使光信號源選擇連接光路1或者光路2；(接有無源相移器，使光路2上的光信號偏轉(zhuǎn)90度)；