CN110196710B - 芯片结构零差探测的量子随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

芯片结构零差探测的量子随机数发生器,芯片上集成光源(1)、偏振控制器(2)、输入波导(3)、多模干涉器(4)、输出波导(5)、光电二极管(6)、跨阻放大器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、模数转换器(10)以及提取器(11)；光源(1)发出连续激光，经过乘法器(8)与一个正弦信号相乘后在通过低通滤波器(9)滤波，得到所需频段的信号，再经过模数转换器(10)转换后得到数字信号，经过提取器(11)提取后，得到最终的随机数QRN并输出。在芯片上集成输入波导、输出波导、多模干涉器和光电二极管器件，使得设备能够实现小型化，设备的典型尺寸小于1cm*1cm*0.3cm，具有很大的输出带宽。

Description

芯片结构零差探测的量子随机数发生器
技术领域
本发明属于密码学领域，涉及IPC分类的G07C产生随机数或G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术，尤其是芯片结构零差探测的量子随机数发生器。
背景技术
零差探测是指探测用的的本振信号经分光器从发射光源分离出来,与调制后的接收信号混频产生外差信号。该探测方法可省去本振光源。零差探测广泛的应用在量子光学中以及一些量子随机数发生器中，这些设备体积比较大，限制了其应用范围。
相关公开文献较少。
上海朗研光电科技有限公司提出的中国专利申请201611015636.9公开一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发***，其包括：用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器的发送方FPGA芯片；用于实现收发双方的时钟保持一致的时钟信号用于作为光源的激光器；用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态的强度调制器；用于将激光脉冲进行分束的第一偏振分束器等。本发明改进了传统的量子通信发送端，采用单一的激光光源，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了***，节约了成本。
清华大学提出的中国专利申请201820480303.1公开一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器。应用该实用新型可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。
北京中创为量子通信技术有限公司提出的中国专利申请201810911865.1公开一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，其中量子随机数发生器包括脉冲激光器、干涉仪、光电探测器以及信号处理模块；脉冲激光器向干涉仪输出脉冲激光信号，脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；干涉仪使光程时间差满足预设条件的两路脉冲激光信号之间发生干涉，从而将脉冲激光信号的相位涨落转换为干涉光信号的强度涨落；由光电探测器将干涉光信号转换为模拟电信号；利用信号处理模块对模拟电信号进行处理，生成量子随机数；与现有技术相比，本申请提供的量子随机数发生器不需要单光子探测器，因此可以降低成本，而且量子随机数产生速率可以达到Gbps，大大提高了量子随机数的产生速率。
随着集成量子光学的发展，近年来，包括光电探测器在内的很多量子光学所用的器件，都有了集成在芯片上的解决方案，这使得具有应用到这类器件需求的装置具有了进一步小型化的可能。
发明内容
本发明的目的是提供芯片结构零差探测的量子随机数发生器，提高性能的同时实现设备小型化。
本发明的目的将通过以下技术措施来实现：包括光源、偏振控制器、输入波导、多模干涉器、输出波导、光电二极管、跨阻放大器、乘法器、低通滤波器、模数转换器和提取器；芯片上集成光源、偏振控制器、输入波导、多模干涉器、输出波导、光电二极管、跨阻放大器、乘法器、低通滤波器、模数转换器以及提取器；光源正对偏振控制器设置，偏振控制器通过输入波导接入多模干涉器，多模干涉器通过一对输出波导并联一对光电二极管后汇集输出到跨阻放大器，然后，由跨阻放大器与外接的正弦信号一起连接乘法器，乘法器进一步依次经过低通滤波器、模数转换器以及提取器输出；提取器从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k；光源发出连续激光，经过偏振控制器之后，通过光栅耦合器耦合到一个输入波导中，另一个输入波导没有光信号输入，经过多模干涉器之后由两个输出波导输出光信号并耦合到两个光电二极管上，光电二极管产生的电流经过做差之后，再经过跨阻放大器转换成电压信号并放大，经过乘法器与一个正弦信号相乘后在通过低通滤波器滤波，得到所需频段的信号，再经过模数转换器转换后得到数字信号，经过提取器提取后，得到最终的随机数QRN并输出。
尤其是，光源为激光二极管或VCSEL激光器，光源发出中心波长为1550nm的连续激光。
尤其是，偏振控制器通过光栅耦合器连接输入波导。
尤其是，输入波导和输出波导为高度对称的单模波导，一对输入波导接入多模干涉器，其中一个输入波导与激光耦合接入，另一个输入波导设置为没有信号输入。
尤其是，多模干涉器的两个输出具有相同的分光比。
尤其是，光电二极管为锗p-i-n结光电二极管，集成在芯片上。
尤其是，提取器为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器以及HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法随机性提取器。
尤其是，正弦信号选用50～150MHz频段的散粒噪声信号，光电二极管的带宽大于150MHz，对这一频段之外的信号进行滤波，在跨阻放大器中进行IV转换时进行高通滤波，过滤50MHz以下的信号，然后信号经过跨阻放大器之后与一个100MHz的正弦信号通过乘法器相乘后，再经过50MHz的低通滤波器滤波，得到所需频段的信号；使用200MHz 的模数转换器对信号进行采样；在进行数据提取之前，根据最小熵来估算出可提取的随机数数量，最小熵的计算公式如下：
Hmin＝-log2(Pmax)；其中Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.9位/采样，即，平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.9/8＝0.7375位，据此设计的提取器为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为700，即从1000位的输入序列中提取出700位的输出序列，其提取比例为0.7，小于之前要求的0.7375，符合提取器对于熵值的要求；模数转换器的采集频率和提取器的提取比例分别为200MHz和0.7，最终的随机数输出带宽为 1.4Gbps。
本发明的优点和效果：在芯片上集成输入波导、输出波导、多模干涉器和光电二极管器件，使得设备能够实现小型化，设备的典型尺寸小于1cm*1cm*0.3cm，具有很大的输出带宽。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图。
附图标记包括：
1-光源、2-偏振控制器、3-输入波导、4-多模干涉器、5-输出波导、6-光电二极管、7-跨阻放大器、8-乘法器、9-低通滤波器、10-模数转换器、11-提取器、12-正弦信号。
具体实施方式
本发明原理在于，如附图1所示，芯片上集成光源1、偏振控制器2、输入波导3、多模干涉器4、输出波导5、光电二极管6、跨阻放大器7、乘法器8、低通滤波器9、模数转换器10以及提取器11；光源1正对偏振控制器2设置，偏振控制器2通过输入波导3接入多模干涉器4，多模干涉器4通过一对输出波导5并联一对光电二极管6后汇集输出到跨阻放大器7，然后，由跨阻放大器7与外接的正弦信号12一起连接乘法器8，乘法器8进一步依次经过低通滤波器9、模数转换器10以及提取器11输出；提取器11从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k。
本发明包括：光源1、偏振控制器2、输入波导3、多模干涉器4、输出波导5、光电二极管6、跨阻放大器7、乘法器8、低通滤波器9、模数转换器10和提取器11。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：正弦信号12选用50～150MHz频段的散粒噪声信号，为了实现对这一频段信号的采集，首先，要求光电二极管6具有大于150MHz的带宽，能够对这一频段的信号进行探测；其次，需要对这一频段之外的信号进行滤波，在跨阻放大器7中进行 IV转换时需要进行高通滤波，过滤50MHz以下的信号，然后信号经过跨阻放大器7之后与一个100MHz的正弦信号12通过乘法器8相乘后，再经过50MHz的低通滤波器9滤波，从而得到所需频段的信号；最后，为了采集这一信号，使用200MHz的模数转换器10对信号进行采样；在进行数据提取之前，需要根据最小熵来估算出可提取的随机数有多少，最小熵的计算公式如下：
Hmin＝-log2(Pmax)；其中Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.9位/采样，也就是说，平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器10的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.9/8＝0.7375位，据此设计的提取器为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为700，也就是说从1000位的输入序列中提取出700位的输出序列，其提取比例为0.7，小于之前要求的0.7375，符合提取器11 对于熵值的要求；模数转换器10的采集频率和提取器11的提取比例分别为200MHz和0.7，所以最终的随机数输出带宽为1.4Gbps。
前述中，光源1为激光二极管或VCSEL激光器，光源1发出中心波长为1550nm 的连续激光。
前述中，偏振控制器2通过光栅耦合器连接输入波导3。
前述中，输入波导3和输出波导5为高度对称的单模波导，一对输入波导3接入多模干涉器4，其中一个输入波导3与激光耦合接入，另一个输入波导3设置为没有信号输入。
前述中，多模干涉器4的两个输出具有相同的分光比。
前述中，光电二极管6为锗p-i-n结光电二极管，集成在芯片上。
前述中，提取器11为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器以及HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法随机性提取器。
本发明实施例中，偏振控制器2调整光源1激光的偏振状态，便于光信号更好的耦合进输入波导3中。输入波导3和输出波导5有合适的长度和宽度，多模干涉器4对输入光进行干涉并进行输出，光电二极管6需要具有较大的探测带宽，光电二极管6，相比一般的p-n结光电二极管具有更高的灵敏度和响应速度。
本发明实施例中，输入波导3、输出波导5、多模干涉器4和光电二极管6均集成在芯片上，使得量子随机数发生器设备能够做成芯片式结构。
本发明实施例中，工作流程包括：光源1发出连续激光，经过偏振控制器2之后，通过光栅耦合器耦合到一个输入波导3中，另一个输入波导3没有光信号输入，经过多模干涉器4之后由两个输出波导5输出光信号并耦合到两个光电二极管6上，光电二极管6产生的电流经过做差之后，再经过跨阻放大器7转换成电压信号并放大，经过乘法器 8与一个正弦信号相乘后在通过低通滤波器9滤波，得到所需频段的信号，再经过模数转换器10转换后得到数字信号，经过提取器11提取后，得到最终的随机数QRN并输出。

Claims (4)

1.芯片结构零差探测的量子随机数发生器,包括光源(1)、偏振控制器(2)、输入波导(3)、多模干涉器(4)、输出波导(5)、光电二极管(6)、跨阻放大器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、模数转换器(10)和提取器(11)；其特征在于，芯片上集成光源(1)、偏振控制器(2)、输入波导(3)、多模干涉器(4)、输出波导(5)、光电二极管(6)、跨阻放大器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、模数转换器(10)以及提取器(11)；光源(1)正对偏振控制器(2)设置，偏振控制器(2)通过输入波导(3)接入多模干涉器(4)，多模干涉器(4)通过一对输出波导(5)并联一对光电二极管(6)后汇集输出到跨阻放大器(7)，然后，由跨阻放大器(7)与外接的正弦信号(12)一起连接乘法器(8)，乘法器(8)进一步依次经过低通滤波器(9)、模数转换器(10)以及提取器(11)输出；提取器(11)从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k；光源(1)发出连续激光，经过偏振控制器(2)之后，通过光栅耦合器耦合到一个输入波导(3)中，另一个输入波导(3)没有光信号输入，经过多模干涉器(4)之后由两个输出波导(5)输出光信号并耦合到两个光电二极管(6)上，光电二极管(6)产生的电流经过做差之后，再经过跨阻放大器(7)转换成电压信号并放大，经过乘法器(8)与一个正弦信号相乘后再通过低通滤波器(9)滤波，得到所需频段的信号，再经过模数转换器(10)转换后得到数字信号，经过提取器(11)提取后，得到最终的随机数QRN并输出；
输入波导(3)和输出波导(5)为高度对称的单模波导，一对输入波导(3)接入多模干涉器(4)；其中一个输入波导(3)与激光耦合接入；
多模干涉器(4)的两个输出具有相同的分光比；
正弦信号(12)选用50～150MHz频段的散粒噪声信号，光电二极管(6)的带宽大于150MHz，对这一频段之外的信号进行滤波，在跨阻放大器(7)中进行IV转换时进行高通滤波，过滤50MHz以下的信号，然后信号经过跨阻放大器(7)之后与一个100MHz的正弦信号(12)通过乘法器(8)相乘后，再经过50MHz的低通滤波器(9)滤波，得到所需频段的信号；使用200MHz的模数转换器(10)对信号进行采样；在进行数据提取之前，根据最小熵来估算出可提取的随机数数量，最小熵的计算公式如下：Hmin＝-log2(Pmax)；其中，Pmax是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.9位/采样，即，平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器(10)的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.9/8＝0.7375位，据此设计的提取器(11)为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为700，即从1000位的输入序列中提取出700位的输出序列，其提取比例为0.7，小于之前要求的0.7375，符合提取器(11)对于熵值的要求；模数转换器(10)的采集频率和提取器(11)的提取比例分别为200MHz和0.7，最终的随机数输出带宽为1.4Gbps。
2.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，光源(1)为激光二极管或VCSEL激光器，光源(1)发出中心波长为1550nm的连续激光。
3.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，光电二极管(6)为锗p-i-n结光电二极管，集成在芯片上。
4.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，提取器(11)为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器以及HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法随机性提取器。
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