[發明專利]基于光量子學的真隨機數發生裝置及方法

在審

• 申請號: 201810478825.2
• 申請日: 2018-05-18
• 公開（公告）號: CN108762724A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 張洪濤;王銳;李儒彬;陳健;秦杰杰;王塬鵬
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 劉琳

1.一種基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述裝置包括光脈沖發生模塊(1)、光學器件(2)、透射光電探測模塊(3-1)、反射光電探測模塊(3-2)、光電信號處理模塊(4)、FPGA單元(5)；

所述光脈沖發生模塊(1)：用于產生光脈沖信號；

所述光學器件(2)：包括光衰減器(2-1)、電光偏振控制器(2-2)、50/50光分束器(2-3)，所述光衰減器(2-1)用于將光脈沖信號轉換為離散的單光子序列，所述電光偏振控制器(2-2)用于對單光子序列產生的偏振態；所述50/50光分束器(2-3)用于對經過偏振態的光子序列以50％：50％的幾率透射或者反射；

所述透射光電探測模塊(3-1)：設置于50/50光分束器(2-3)的透射輸出端，用于探測光子并輸出透射光電信號u_i1；

所述反射光電探測模塊(3-2)：設置于50/50光分束器(2-3)的反射輸出端，用于探測光子并輸出反射光電信號u_i2；

所述光電信號處理模塊(4)：用于根據透射光電信號ui1與反射光電信號u_i2的差值輸出高低電平信號；

所述FPGA單元(5)：用于根據高低電平信號生成隨機數“0”和“1”序列，通過USB總線形式發送至上位機(6)。

2.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述FPGA單元(5)計算所生成的隨機數序列中“0”和“1”的個數的差值，若其差值大于預設值，則輸出校正電壓數字信號，直至隨機數序列中“0”和“1”的個數的差值小于預設值。

3.根據權利要求2所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：還包括D/A轉換模塊(7)，所述D/A轉換模塊(7)用于根據FPGA單元(5)輸出的校正電壓數字信號向電光偏振控制器(2-2)輸出電壓。

4.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述光脈沖發生模塊(1)包括時鐘電路、激光二極管、激光二極管驅動電路，所述時鐘電路產生脈沖信號，驅動激光二極管根據脈沖信號發出光脈沖信號。

5.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述電光偏振控制器(2-2)為兩端被施加恒定電壓的光偏振效應晶體。

6.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述透射光電探測模塊(3-1)和反射光電探測模塊(3-2)為相同結構，包括單光子前端檢測電路和光電信號放大電路。

7.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述光電信號處理模塊(4)包括前級模擬減法電路和后級比較電路，所述前級模擬減法電路用于根據透射光電信號ui1與反射光電信號ui2輸出差值信號u0，所述后級比較電路用于根據差值信號u0的正或負輸出高電平或者低電平。

8.根據權利要求1所述的基于光量子學的真隨機數發生裝置，其特征在于：所述FPGA單元(5)包括倍頻模塊(5-1)、邊緣檢測模塊(5-2)、8位計數器(5-3)、奇偶校驗器(5-4)、移位寄存器(5-5)、FIFO緩沖區(5-6)、USB接口(5-7)、控制邏輯單元(5-8)、校正電壓輸出模塊(5-9)。

9.一種基于光量子學的真隨機數發生方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)產生光脈沖；

2)將光脈沖轉換為單光子序列；

3)將單光子序列經過光偏振處于疊加態的每個光子以50％：50％的幾率透射或者反射；

4)分別檢測透射或者反射的光子數，以其差值的正負性產生高低電平序列；

5)將所述高低電平序列生成隨機數“0”和“1”序列，作為隨機數結果。

10.根據權利要求9所述的基于光量子學的真隨機數發生方法，其特征在于：所述方法還包括：6)采集隨機數序列中“0”和“1”的個數的差值，若其差值大于預設值，則調整步驟3)中單光子序列的偏振態，直至隨機數序列中“0”和“1”的個數的差值小于預設值。