[發明專利]基于玻色采樣的隨機數生成方法及量子密鑰分發方法

有效

• 申請號: 202011390255.5
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112511298B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 石金晶;趙童格;施榮華;王雯萱;黎振煥;賴蔚
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;G06F7/58;G06F17/16
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

本發明公開了一種基于玻色采樣的隨機數生成方法，包括確定玻色采樣的輸入玻色子源和玻色子源演化所需要的線性光學網絡；將輸入玻色子源通過線性光學網絡并采用光子探測器對輸出態進行探測得到玻色采樣的采樣結果；對探測結果進行后處理得到對應的隨機比特；重復上述步驟直至得到指定長度的隨機數序列。本發明還公開了包括所述基于玻色采樣的隨機數生成方法的量子密鑰分發方法。本發明提供的這種基于玻色采樣的隨機數生成方法及量子密鑰分發方法，通過采用玻色采樣及其后處理過程，產生了均勻無偏的量子隨機數序列，而且本發明產生的隨機數是與輸入源無關的，安全性更高，可靠性高，簡單易實現。

技術領域

本發明屬于量子技術領域，具體涉及一種基于玻色采樣的隨機數生成方法及量子密鑰分發方法。

背景技術

隨機數在許多領域扮演重要角色，提供重要資源，比如密碼學、遺傳學、仿真模擬等等。在經典領域，有很多基于確定算法的隨機數發生器被提出，比如基于數論的線性同余隨機數發生器、基于線性移位寄存器及其推廣的隨機數發生器等。雖然這些方法原理簡單、生成速率較快，但是當初始條件或隨機種子被泄露，那么對應的產生的隨機數也會被泄露。并且上述方法的結果通常具有周期性，可以被預測。在隨機數發生器的應用領域，比如密碼學，不可預測性是首要條件，而經典上的偽隨機數發生器不能滿足這個條件，因此不能廣泛應用。

量子力學近年來得到了飛速發展。量子力學可以和很多經典領域相結合，進而提出很多新的方法協議，比如計算機科學、通信、圖像處理、機器學習等。同時，量子計算也為許多在經典計算上難以解決的問題提供了有效的解決方法，比如shor大數質因子分解算法。

量子力學的本征隨機性，使得量子系統成為很好的隨機數發生器的熵源。目前，已經有很多量子隨機數發生器的生成方法可供選擇，比如基于分支路徑的量子隨機數發生器、基于光子數統計的量子隨機數發生器、基于真空散粒噪聲的量子隨機數發生器、基于自發放大輻射的量子隨機數發生器等。但是這些方法很多受限于光子數探測器的光子分辨能力，而且與輸入源密切相關，容易受經典噪聲的影響等問題。這些問題，使得這些隨機數發生器或發生方法的可靠性和安全性并不高。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種與輸入源無關，而且可靠性高、安全性好、易于實施的基于玻色采樣的隨機數生成方法。

本發明的目的之二在于提供一種包括了所述基于玻色采樣的隨機數生成方法的量子密鑰分發方法。

本發明提供的這種基于玻色采樣的隨機數生成方法，包括如下步驟：

S1.確定玻色采樣的輸入玻色子源；

S2.確定玻色子源演化所需要的線性光學網絡；

S3.將步驟S1確定的輸入玻色子源通過步驟S2確定的線性光學網絡，并采用光子探測器對輸出態進行探測，從而得到玻色采樣的采樣結果；

S4.對步驟S3得到的探測結果進行后處理，從而得到對應的隨機比特；

S5.重復步驟S1～S4，直至得到指定長度的隨機數序列。

步驟S1所述的玻色采樣的輸入玻色子源，具體為對于M模式N光子的玻色采樣，確定模式數M和光子數N，同時確定發射光子的位置；采用自發參量下轉換技術制備單獨光子或彼此之間量子糾纏的光子對。

步驟S2所述的確定玻色子源演化所需要的線性光學網絡，具體為確定線性光學網絡中移相器的位置和參數，以及確定線性光學網絡中分束器的位置和參數。

移相器作用于單一模式，對應的酉操作表示為其中為旋轉角， n為光子數態；分束器的酉矩陣表示為其中φ為相位角，θ為偏置角；為了保證隨機性，參數φ和θ在設定范圍內采用均勻分布生成。

步驟S3所述的采用光子探測器對輸出態進行探測，具體為采用M個光子探測器，對兩次玻色采樣的輸出態進行連續探測。