[實用新型]一種量子隨機數發生器

有效

• 申請號: 201920236698.5
• 申請日: 2019-02-25
• 公開（公告）號: CN210270868U
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 洪偉;劉威;周金榮;費禮;陳思井;彭漢;文柯
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;武漢船舶通信研究所（中國船舶重工集團公司第七二二研究所）
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 劉杰

本實用新型公開了一種量子隨機數發生器。其中，光分束部件有n個輸出端口，光合束部件有n個輸入端口，光分束部件的輸出端口1經光開關部件1與光合束部件的輸入端口1連接；光分束部件的輸出端口2經光延時部件1、光開關部件2與光合束部件的輸入端口2連接；光分束部件的輸出端口3經光延時部件2、光開關部件3與光合束部件的輸入端口3連接；以此類推，光合束部件的任意兩束輸入光的延時差大于光源的相干時間；光合束部件的光信號輸出端與光探測部件的光信號輸入端連接；其中，n≥3。通過控制光開關部件的工作時序可分時地讓具有不同延時差的光場進行干涉，可以提高最大采樣速率，并保證提取的隨機數具有最大可能的熵值。

技術領域

本實用新型涉及隨機數發生裝置技術領域，尤其涉及一種量子隨機數發生器。

背景技術

隨著信息量井噴式的增長，信息安全開始日益受到人們的重視。隨機數在信息加密過程中，具有不可替代的作用。而基于光源相位噪聲的量子隨機數發生器由于其內稟的量子隨機特性，可以實現真隨機數的產生，從而保證信息傳遞的絕對安全。

基于光源相位噪聲的量子隨機數發生器(QRNG)中一般要采用干涉儀結構將具有相對延時差的兩路或多路光束進行干涉，因此，光源自身的相干性會影響隨機數產生器的性能。光源的時間相干性是指：只有延時差在一定范圍內的光波才具有相對固定的位相差，從而可以發生穩定的干涉，這一時間范圍稱為相干時間。從統計學角度上看，可以認為延時差小于相干時間的兩束光具有關聯性，即彼此不獨立。取極限情況，當兩束光的延時差等于零時，則其相位完全相同，此時的相關系數為“1”。隨著兩束光延時差的增加，其相關系數逐漸減小。當延時差遠大于相干時間時，則可以認為這兩束光是彼此獨立的，這時通過干涉提取的幅度噪聲分布近似為均勻分布，所產生的隨機數具有最大可能的熵值(均勻分布的隨機數具有最大的無序性)。在目前的基于光源相位噪聲的QRNG方案中，大多通過提升采樣速率(即減小采樣間隔)來實現高速率隨機數的產生，而該方法帶來的潛在問題是，減小采樣間隔實際上相當于等效地減小了參與干涉的兩束光的延時差，使得發生干涉的光束之間的相關性增加，這會帶來三個方面的不利影響，1)減小了轉換所得幅度噪聲的動態范圍，這對后續的量化過程是非常不利的；2)提取的數據概率分布變為高斯分布，減小了產生的隨機數的熵值；3)干涉儀必須增加反饋控制以避免環境因素造成的偏置點的隨機漂移。因此，考慮到光源相干時間的上述限制，產生真隨機數所要求的最大采樣速率受限于光源的相干時間，即：

其中，v_s，max為最大采樣速率；T_s,min為最小采樣間隔；τ_c為光源的相干時間。

實用新型內容

本實用新型通過提供一種量子隨機數發生器，實現了最大采樣速率不受光源相干時間限制的技術效果。

本實用新型提供了一種量子隨機數發生器，包括：光分束部件、光延時部件1～n-1、光開關部件1～n、光合束部件和光探測部件；所述光分束部件有n 個輸出端口，所述光合束部件有n個輸入端口，所述光分束部件的輸出端口1 經所述光開關部件1與所述光合束部件的輸入端口1連接；所述光分束部件的輸出端口2經所述光延時部件1、所述光開關部件2與所述光合束部件的輸入端口2連接；所述光分束部件的輸出端口3經所述光延時部件2、所述光開關部件3與所述光合束部件的輸入端口3連接；所述光分束部件的輸出端口n經所述光延時部件n-1、所述光開關部件n與所述光合束部件的輸入端口n連接；所述光合束部件的任意兩束輸入光的延時差大于光源的相干時間；所述光合束部件的光信號輸出端與所述光探測部件的光信號輸入端連接；其中，n≥3。

進一步地，還包括：模數轉換部件；所述模數轉換部件的電信號輸入端與所述光探測部件的電信號輸出端電性連接。

進一步地，還包括：發光部件；所述發光部件的光信號輸出端與所述光分束部件的光信號輸入端連接。

進一步地，所述發光部件為半導體激光器、光纖激光器或固體激光器。