[發明專利]源無關高維時間編碼的量子隨機數發生器

在審

• 申請號: 201810409987.0
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108446099A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 富堯;朱偉
• 申請（專利權）人: 如般量子科技有限公司
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 解明鎧;劉靜靜

本發明公開了一種源無關高維時間編碼的量子隨機數發生器，包括相互匹配的發送模塊和接收模塊，所述發送模塊采用高維時間編碼方式輸出編碼后光脈沖組，所述接收模塊接收所述編碼后光脈沖組分別進行X基矢和Z基矢測量，再經后處理獲得相應的量子隨機數。本發明量子隨機數發生器，采用高維編碼的方式提升源無關隨機數發生器的輸出速率。

技術領域

本發明涉及量子通信技術領域，尤其涉及一種量子隨機數發生器。

背景技術

隨機數作為一種資源，在許多領域內都具有重要作用。科學模擬計算，密鑰系統，身份認證等均離不開隨機數。尤其是在安全相關的領域內，隨機性是系統安全性的根基，真隨機數的采用將明顯提升系統的安全性。因此在任何安全相關的應用領域內，迫切的需求真隨機數。同時在新興的量子通信領域，隨機數同樣是不可或缺的；在量子密鑰分發系統中，需要大量的真隨機數。量子隨機數發生器的誕生解決了高速生成真隨機數的難題。量子隨機數發生器基于量子力學基本原理，而量子力學的一個顯著特征是其內在包含隨機性，因此量子隨機數發生器是一種真隨機數發生器。

作為一種硬件隨機數發生器，量子隨機數發生器由多個部分組成，保證每個部分均安全可靠的工作才能使其輸出可靠的隨機數，任何安全漏洞均可能導致隨機數被攻擊者竊取而使整個安全系統被突破。同時實際器件存在各種缺陷，因此從量子態的制備到測量均會存在和理論描述的偏差，必須嚴格檢測各個器件以量化此類缺陷，忽視任何缺陷可能導致過高估計最終的隨機數生成速率從而使發生器存在安全漏洞。對量子隨機數發生器的所有器件進行及時檢測和監控不但在實際操作上難以進行，同時也會大大增加系統的復雜度，因此通過引入新的機制來減少需要檢測和監控的硬件是一種更實際更合理的方式。源無關的隨機數發生器隨即被提出，在此類發生器中光源無需可靠，即光源可以被攻擊者操控，從而使得光源發出的量子態并非預先設定制備的量子態；此外由于器件本身并非完美，即使沒有外界的操控，現有光源制備的量子態也和所需量子態存在偏差。源無關量子隨機數發生器免除了對光源進行監控的必要，同時也考慮了實際光源存在的缺陷，因此是一種更安全更實用的量子隨機數發生器。現有源無關量子隨機數發生器的輸出速率還不是很高，為了進一步提升速率，高維編碼是一種簡單可靠的方式。

高維編碼的形式也多種多樣，而主流的方案為時間編碼；其在實驗實現上較為簡單，因而被廣泛研究。

在高維編碼系統中，X基矢和Z基矢均有d個本征態(d表示系統維度)，因此每個本征態對應為0到d-1的比特值。X基矢本征態和相應的Z基矢的本征態可以用如下公式來描述

其中|f_n>和|t_m>分別為X基矢第n個和Z基矢的第m個本征態。

在高維時間編碼中，d維的量子態需要相應的d個連續的相同時間間隔(τ)構成的一個時間段(T＝dτ)來表示。對于時間間隔，從左往右用0到d-1對其標注。對于Z基矢，其任意一個本征態|t_n>在時間編碼中的具體形式為：僅在第n個時間間隔中有脈沖而其余時間間隔內沒有脈沖。對于X基矢，根據上述公式不難得知，其不同基矢間的差別在于時間間隔內脈沖的相位，且每個間隔內出現脈沖的幾率相同。圖1給出了d＝4時，|t₀>和|f₀>的時間編碼形式，且對于|f₀>根據上述公式標注了其每個間隔內脈沖的相位。

發明內容

本發明提供一種量子隨機數發生器，采用高維編碼的方式提升源無關隨機數發生器的輸出速率。

一種源無關高維時間編碼的量子隨機數發生器，包括相互匹配的發送模塊和接收模塊，所述發送模塊采用高維時間編碼方式輸出編碼后光脈沖組，所述接收模塊接收所述編碼后光脈沖組分別進行X基矢和Z基矢測量，再經后處理獲得相應的量子隨機數。