CN111562903B - 一种量子随机数发生装置及方法 - Google Patents
一种量子随机数发生装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111562903B CN111562903B CN202010677750.8A CN202010677750A CN111562903B CN 111562903 B CN111562903 B CN 111562903B CN 202010677750 A CN202010677750 A CN 202010677750A CN 111562903 B CN111562903 B CN 111562903B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- random number
- signal
- quantum random
- light
- light intensity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 122
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 53
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 37
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 21
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 29
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 239000000728 ammonium alginate Substances 0.000 description 3
- 239000000648 calcium alginate Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000770 propane-1,2-diol alginate Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000005258 radioactive decay Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
- G06F7/58—Random or pseudo-random number generators
- G06F7/588—Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
本发明公开了一种量子随机数发生装置及方法。本发明的量子随机数发生装置包括脉冲激光单元，发出相位随机的周期为T的脉冲光；光强稳定单元接收所述脉冲光，输出光强值稳定的第一光信号；干涉仪，接收所述第一光信号，并进行干涉，输出第三光信号或/和第四光信号；光电探测单元，接收所述第三光信号或/和第四光信号，并进行光电探测，输出量子随机数电信号；模拟数据采集与数字化转换单元，接收所述量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数。其中干涉仪可以是MZ干涉仪，光电探测单元可以是平衡零差探测器。本发明的量子随机数发生装置产生的量子随机数具有优良的随机性，随机数生成速率高。
Description
技术领域
本发明涉及随机数源技术领域，特别地涉及一种量子随机数发生装置及方法。
背景技术
随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。现代社会中有很多用到随机数的场合。传统的随机数方法只能产生伪随机数。随着计算机技术的发展，伪随机数是可以被预测的，因此无法保证绝对的安全性。根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等也可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而风险增加，但其随机性并没有从本质上得到保证。在一些特定场合，如量子通信，这种随机数也是不安全的。因此，需要能够产生真随机数的量子随机数发生器。
图1是现有的一种量子随机数发生器的技术方案。该量子随机数发生器通过脉冲激光器产生周期脉冲信号，经过隔离器输出给迈克尔逊干涉仪，该干涉仪的臂长差为nT（T为脉冲信号的周期，n为自然数，整周期），这样可以实现第k光脉冲信号和k+n光脉冲信号进行干涉，干涉结果通过PIN管探测输出模拟的电脉冲信号经过比较器比较后得到初始量子随机数源，经过处理后得到量子随机数。虽然现有技术的量子随机数发生器可以产生量子随机数，但是生成随机数速率较低，抗干扰能力差。
因此，如何提高量子随机数的随机性以及生成速率，就是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种量子随机数发生装置，包括：脉冲激光单元，其经配置发出相位随机的周期为T的脉冲光；光强稳定单元，其经配置接收所述脉冲光，输出光强值稳定的第一光信号；干涉仪，其经配置接收所述第一光信号，并进行干涉，输出第三光信号或/和第四光信号；光电探测单元，其经配置接收所述第三光信号或/和第四光信号，并进行光电探测，输出量子随机数电信号；模拟数据采集与数字化转换单元，其经配置接收所述量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数。
如上所述的量子随机数发生装置，进一步包括量子随机数发生装置主控模块，包括：脉冲激光器驱动控制模块，其经配置发出脉冲激光控制信号；光强稳定驱动模块，其经配置接收所述光强稳定单元输出的光强值信号，向光强稳定单元发出光强调控控制信号；延时控制驱动模块，其经配置向光纤延时单元发出延时控制信号；量子随机数处理检测输出模块，其经配置接收所述模拟数据采集与数字化转换单元输出的所述初始量子随机数，并对所述初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测方式的处理检测后，输出量子随机数。
如上所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述脉冲激光单元进一步包括：脉冲激光器控制单元，其经配置接收所述脉冲激光控制信号，发出脉冲激光信号；脉冲激光器，其经配置接收所述脉冲激光信号，发出相位随机的周期为T的脉冲光。
如上所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述光强稳定单元进一步包括：可调衰减器，其经配置接收所述脉冲光，接收光强调控信号，输出脉冲光信号；分束器，其经配置接收所述脉冲光信号，经分束形成第一光信号、第二光信号并输出；光强检测单元，其经配置接收所述第二光信号并进行光强检测，将检测到的光强值以光强值信号输出；可调控制单元，其经配置接收光强调控控制信号，并经处理发出光强调控信号。
如上所述的量子随机数发生装置，所述干涉仪进一步是迈克尔逊干涉仪。
如上所述的量子随机数发生装置，所述干涉仪进一步是MZ不等臂干涉仪。
如上所述的量子随机数发生装置，进一步包括：滤波单元，其经配置接收所述量子随机数电信号，并对其进行滤波，以去除所述量子随机数电信号中的经典噪声。
如上所述的量子随机数发生装置，进一步包括：光纤延时单元，其经配置接收第四光信号，经延时奇数倍的T/2处理，形成第五光信号并输出。
如上所述的量子随机数发生装置，所述光电探测单元进一步是平衡零差探测器。
如上所述量子随机数发生装置，所述模拟数据采集与数字化转换单元可以是模拟数据采集卡、高速ADC模块单元，其位宽N可以是8bit,10bit,12bit,14bit,16bit的其中之一。
本发明的另一个方面，提出一种量子随机数发生方法，包括：脉冲激光器发出相位随机的周期为T的脉冲光；光强稳定单元接收脉冲光，经检测调控后，输出光强值稳定的第一光信号；干涉仪接收第一光信号，经干涉后输出第三光信号或/和第四光信号；光电探测单元接收第三光信号或/和第四光信号进行光电探测，输出量子随机数电信号；模拟数据采集与数字化转换单元接收量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数；对初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测方式的处理检测后，输出量子随机数。
如上所述的量子随机数发生方法，进一步由滤波单元接收量子随机数电信号进行滤波处理，去除量子随机数电信号中的经典噪声。
如上所述的量子随机数发生方法，干涉仪进一步是MZ不等臂干涉仪，则需要光纤延时单元对第四光信号进行延时奇数倍T/2处理，形成第五光信号。
如上所述的量子随机数发生方法，光电探测单元进一步是平衡零差探测器，接收第三光信号、第五光信号进行光电探测，输出量子随机数电信号。
本发明的量子随机数发生装置具有平衡零差探测功能，可以有效消除偏置误差，使得ADC码值可以达到0；本发明的量子随机数发生装置具有光强稳定功能，可以确保脉冲光的光强稳定，使得经光电探测后产生的量子随机数电信号电压值保持稳定，从而使得ADC码值可以达到2^N。因此本发明的量子随机数发生装置产生的量子随机数具有优良的随机性。本发明的量子随机数发生装置采用高速ADC进行数据采样，不同于现有技术方案中采用比较器，这样可以使每个脉冲信号干涉后得到多bit量子随机数源，提高随机数生成速率。本发明的量子随机数发生装置的模拟转换单元前端选用了滤波单元，可以用于对电路中的噪声进行滤除，降低了经典噪声在量子随机数中的成份。
附图说明
图1示出了一种量子随机数发生器的现有技术；
图2a示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个原理性实施例的结构示意图；
图2b示出了本发明的量子随机数发生装置的光强稳定过程的光信号示意图；
图3a示出了根据本发明的量子随机数发生装置另一个原理性实施例的结构示意图；
图3b示出了图3a所示实施例的MZ不等臂干涉仪结构示意图；
图4a示出了根据本发明的量子随机数发生装置又一个原理性实施例的结构示意图；
图4b示出了图4a所示实施例的迈克尔逊干涉仪结构示意图；
图5示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的结构示意图；
图6a示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的MZ不等臂干涉仪工作状态示意图；
图6b示出了图6a的MZ不等臂干涉仪工作过程光信号示意图；
图7示出了根据本发明的量子随机数发生装置的光延时过程光信号示意图；
图8a出了根据本发明的量子随机数发生装置的平衡零差探测工作过程示意图；
图8b出了根据本发明的量子随机数发生装置的平衡零差探测过程光信号示意图；
图9a、图9b示出了本发明的量子随机数模数转换工作过程示意图；
图10示出了本发明的ADC码值分布示意图；
图11示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的结构示意图；
图12示出了图11所示实施例的光强稳定过程的光信号示意图；
图13示出了根据本发明的量子随机数发生方法。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。
图2a示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个原理性实施例的结构示意图。如图2a所示，本发明的量子随机数发生装置可以包括量子随机数发生器主控模块101、脉冲激光单元201、光强稳定单元301、干涉仪501、光电探测单元701以及模拟数据采集与数字化转换单元801。
在一些实施例中，脉冲激光单元201可以接收量子随机数发生装置主控模块101发出的脉冲激光控制信号，发出相位随机的周期为T的频率固定的具有相干性的脉冲光。脉冲激光控制信号可以包括以下两种信号，数字控制信号以及宽脉宽驱动信号（或者宽脉冲调制信号）。数字控制信号主要设置脉冲激光单元201所发出的脉冲光的中心波长、脉冲宽度、脉冲激光单元BIAS电流（偏置电流）以及MOD电流（调制电流）。其中当BIAS电流＜Ith值（约定发热电流），可以使得脉冲激光单元201所发出的脉冲光的相位具有随机性。
在一些实施例中，如图2b所示，光强稳定单元301可以接收脉冲激光单元201所发出的脉冲光，经检测调控后，输出光强值稳定的第一光信号401。光强稳定单元301可以对所接收到的脉冲光的光强值进行检测，将检测到的脉冲光的光强值以光强值信号方式输出至量子随机数发生装置主控模块101。量子随机数发生装置主控模块101对接收到的光强值信号进行分析，与***初始化阶段所设置的脉冲光的光强值信息进行分析比较，根据所得结果生成光强调控控制信号反馈至光强稳定单元301，驱动光强稳定单元301对所接收到的脉冲光的光强进行调控，以输出光强值稳定的第一光信号401。
在一些实施例中，干涉仪501可以接收光强稳定单元301所输出的第一光信号401，经干涉后，输出第三光信号403或/和第四光信号404。第一光信号401、第三光信号403、第四光信号404的周期、频率均与脉冲激光单元201所发出的脉冲光相同，且相位随机。
在一些实施例中，光电探测单元701可以接收干涉仪501所输出的第三光信号403或/和第四光信号404，将光信号转化为电信号，输出量子随机数电信号。在一些实施例中，光电探测单元701用于进行光电探测的模块可是PN结型光探测器，PIN型光探测器，雪崩光电二极管（APD）探测器或拉通型雪崩光电二极管（RAPD）探测器。
在一些实施例中，模拟数据采集与数字化转换单元801可以接收光电探测单元701所输出的量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数。模拟数据采集与数字化转换单元801可以是模拟数据采集卡、高速ADC模块单元，其采样位宽为N，根据不同的使用情形，N可以是8bit,10bit,12bit,14bit,16bit等多种情况。在一些实施例中，量子随机数发生装置主控模块可以接收模拟数据采集与数字化转换单元801输出的初始量子随机数，并对初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测等方式的处理检测后，输出量子随机数。
图3a示出了根据本发明的量子随机数发生装置另一个原理性实施例的结构示意图。图3a所示实施例中，与图2a所示实施例的相同或相似装置或模块，具有相同或相似的功能。如图3a所示，本发明的量子随机数发生装置可以包括MZ不等臂干涉仪503。
在一些实施例中，MZ不等臂干涉仪503可以接收第一光信号401，经干涉后输出第三光信号403或/和第四光信号404。MZ不等臂干涉仪503的长臂与短臂的光程差为nT，其中n为大于等于1的正整数，T为第一光信号401、第三光信号403、第四光信号404的周期。
图3b示出了MZ不等臂干涉仪503的示意性结构。如图3b所示，第一光信号401输入至MZ不等臂干涉仪503，经分束后分别沿MZ不等臂干涉仪503的长臂和短臂传输，发生干涉后输出第三光信号403或/和第四光信号404。
图4a示出了根据本发明的量子随机数发生装置又一个原理性实施例的结构示意图。图4a所示实施例中，与图2a所示实施例的相同或相似装置或模块，具有相同或相似的功能。如图4a所示，本发明的量子随机数发生装置可以包括迈克尔逊干涉仪505，隔离器507。
在一些实施例中，迈克尔逊干涉仪505可以接收第一光信号401，经干涉后输出第三光信号403或/和第四光信号404。迈克尔逊干涉仪505的长臂与短臂的光程差为nT，其中n为大于等于1的正整数，T为第一光信号401、第三光信号403、第四光信号404的周期。在一些实施例中，隔离器507可以起到防止光信号沿光路传输至脉冲激光单元201，以确保正常运行。
图4b示出了迈克尔逊干涉仪505以及隔离器507的示意性结构。如图4b所示，隔离器507可以是环形器，可以包括三个光学接口：第一接口、第二接口和第三接口；其中从第一接口输入的光信号从第二接口输出，从第二接口输入的光信号从第三接口输出。第一光信号401经隔离器507输入至迈克尔逊干涉仪505，经分束后分别沿迈克尔逊干涉仪505的长臂和短臂传输，发生干涉后输出第三光信号403或/和第四光信号404。
图5示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的结构示意图。图5所示实施例中，与图2a、图3a所示实施例的相同或相似装置或模块，具有相同或相似的功能。如图5所示，本发明的量子随机数发生装置可以包括MZ不等臂干涉仪503，光纤延时控制单元601，平衡零差探测器703，模拟数据采集与数字化转换单元801。
在一些实施例中，MZ不等臂干涉仪503可以接收第一光信号401，经干涉后输出第三光信号403、第四光信号404。第一光信号401的光强值为E401.
图6a示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的MZ不等臂干涉仪工作状态示意图；图6b示出了图6a的MZ不等臂干涉仪工作过程光信号示意图。
如图6a与图6b所示，第一光信号401输入MZ不等臂干涉仪503之后，经分光形成沿短臂传输的OUTa、沿长臂传输的OUTb，OUTa与OUTb的光强值均为二分之一E401。MZ不等臂干涉仪503的长臂与短臂的光程差为nT，其中n为大于等于1的正整数，T为第一光信号401的周期。经传输后，OUTa形成OUTA，OUTb形成OUTB，OUTA与OUTB的光强值均为二分之一E401。OUTA与OUTB发生干涉，形成OUT。由于脉冲光的相位随机，因此第一光信号401的相位随机，所以OUTA与OUTB的相位亦随机。MZ不等臂干涉仪503的光程差为nT，因此OUTA与OUTB发生干涉，所形成的OUT光强是随机的，设其光强值为EOUT，则其取值范围为：0≤EOUT≤E401。OUT经输出所形成第三光信号403、第四光信号404的光强值亦是随机的，设第三光信号403的光强值为E403，第四光信号404的光强值为E404，则有E403+E404=EOUT。
在一些实施例中，光纤延时单元601可以接收MZ不等臂干涉仪503输出的第四光信号404,经延时处理，形成并输出第五光信号405，设其光强值为E405。光纤延时单元601可以采用固定长度的光纤实现，也可以通过固定长度光纤与光纤可调延时装置的组合实现。
图7示出了根据本发明的量子随机数发生装置的光延时过程光信号示意图。如图5以及图7所示，光纤延时单元601可以接收量子随机数发生装置主控模块101所发出的延时控制信号，对第四光信号404进行延时奇数倍的T/2处理，形成第五光信号405。由于光纤延时单元601对第四光信号404进行延时处理形成第五光信号405的过程并，仅有延时处理没有其他的处理，不会对光强产生影响，因此有E405= E404，进一步有E403+E405=EOUT。
在一些实施例中，平衡零差探测器703可以接收第三光信号403、第五光信号405，经光电探测及平衡零差处理，形成并输出量子随机数电信号。
图8a出了根据本发明的量子随机数发生装置的平衡零差探测工作过程示意图；图8b出了根据本发明的量子随机数发生装置的平衡零差探测过程光信号示意图。
如图8a所示，平衡零差探测器703可以包括第一光电探测器7031、第二光电探测器7033以及平衡零差模块7035。如图8a和图8b所示，第一光电探测器7031可以接收第三光信号403并经光电探测形成第一电信号4031并输出；第二光电探测器7033可以接收第五光信号405并经光电探测形成第二电信号4051并输出。平衡零差模块7035可以接收第一光电探测器7031输出的第一电信号4031、第二光电探测器7033输出的第二电信号4051，经平衡零差处理，形成量子随机数电信号并输出。平衡零差处理可以消除第一电信号4031、第二电信号4051存在的偏置误差。
在一些实施例中，模拟数据采集与数字化转换单元801可以接收平衡零差探测器703所输出的量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数。模拟数据采集与数字化转换单元801可以是模拟数据采集卡、高速ADC模块单元，其采样位宽为N，根据不同的使用情形，N可以是8bit,10bit,12bit,14bit,16bit等多种情况。
图9a、图9b示出了本发明的量子随机数模数转换工作过程示意图。如图9a、图9b所示，量子随机数电信号可以包括电压值为正的第一分量，电压值为负的第二分量。图9a、图9b中的竖直虚线表示模拟数据采集与数字化转换单元信号采样位置。在图9a中，模拟数据采集与数字化转换单元801对量子随机数电信号的第一分量进行采样，输出初始量子随机数；在图9b中，模拟数据采集与数字化转换单元801对量子随机数电信号的第二分量进行采样，输出初始量子随机数。在本发明的量子随机数发生装置的工作过程，模拟数据采集与数字化转换单元801在对量子随机数电信号进行采样，选择对第一分量采样，或选择对第二分量样，不能同时对第一分量与第二分量进行采样。
图10示出了本发明的ADC码值分布示意图，可以说明本发明的量子随机数发生装置的技术效果。图10的上半部分表示优化前ADC码值分布示意图，纵轴表示ADC码值分布的概率，横轴表示ADC码值，N表示ADC的位宽。在优化前，由于存在偏置误差，使得ADC码值无法达到0；由于脉冲光的光强不稳定，使得经光电探测后产生的量子随机数电信号电压值不稳定，使得ADC码值无法达到2^N，从而使得量子随机数的随机性效果不好，无法达到量子随机数发生装置的设计性能。图10的下半部分表示经本发明的量子随机数发生装置优化后的ADC码值分布示意图，纵轴表示ADC码值分布的概率，横轴表示ADC码值，N表示ADC的位宽。本发明的量子随机数发生装置具有平衡零差探测功能，可以有效消除偏置误差，使得ADC码值可以达到0；本发明的量子随机数发生装置具有光强稳定功能，可以确保脉冲光的光强稳定，使得经光电探测后产生的量子随机数电信号电压值保持稳定，从而使得ADC码值可以达到2^N，因此本发明的量子随机数发生装置产生的量子随机数具有优良的随机性。
图11示出了根据本发明的量子随机数发生装置一个示例性实施例的结构示意图。图11中所示的实施例中，与本发明的前述各实施例的相同或相似装置或模块，具有相同或相似的功能。
在一些实施例中，量子随机数发生装置主控模块101可以包括脉冲激光器驱动控制模块1011，其可向脉冲激光单元201发出脉冲激光控制信号；光强稳定驱动模块1013，其可以接收光强稳定单元301输出的光强值信号，向光强稳定单元301发出光强调控控制信号；延时控制驱动模块1015，其可向光纤延时单元601发出延时控制信号；量子随机数处理检测输出模块1017，其可接收模拟数据采集与数字化转换单元801输出的初始量子随机数，并对初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测等方式的处理检测后，输出量子随机数。
在一些实施例中，脉冲激光单元201可以包括脉冲激光器控制单元2013、脉冲激光器2011。脉冲激光器控制单元2013可以接收量子随机数发生装置主控模块101中的脉冲激光器驱动模块1011发出的脉冲激光控制信号，经处理后向脉冲激光器2011发出脉冲激光信号。脉冲激光器2011可以接收脉冲激光器控制单元2013发出的脉冲激光信号，并在脉冲激光信号的驱动控制下进行运行，发出相位随机的周期为T的频率固定的具有相干性的脉冲光。
在一些实施例中，光强稳定单元301可以包括可调衰减器3011、分束器3013、光强检测单元3015以及可调控制单元3017。如图11以及图12所示，光强稳定单元301中的可调衰减器可以接收脉冲激光单元201所发出的脉冲光，输出脉冲光信号。分束器3013可以接收可调衰减器发出的脉冲光信号，经分束形成第一光信号401、第二光信号402并输出，其中第二光信号402的光强与第一光信号401的光强比为1:9~1:999，优选为1:99。光强检测单元3015可以接收分束器3013发出的第二光信号402并进行光强检测，将检测到的光强值以光强值信号方式输出至量子随机数发生装置主控模块101的光强稳定驱动模块1013。光强稳定驱动模块1013对接收到的光强值信号进行分析，与***初始化阶段所设置的第二光信号402的光强值信息进行分析比较，根据所得结果生成光强调控控制信号反馈至光强稳定单元301的可调控制单元3017。可调控制单元3017可以接收光强稳定驱动模块1013发出的光强调控控制信号，并经处理发出光强调控信号。可调衰减器3011可以接收可调控制单元3017发出的光强调控信号，并对接收的脉冲光的光强进行动态调整，使得所发出的脉冲光信号的光强稳定，以使得分束器3013输出光强值稳定的第一光信号401。
在一些实施例中，滤波单元901可以接收平衡零差探测器703发出的量子随机数电信号，并对其进行滤波，以去除量子随机数电信号中的经典噪声，并输出经滤波后的量子随机数电信号至模拟数据采集与数字化转换单元801。
图13示出了根据本发明的量子随机数发生方法。如图13所示，本发明的量子随机数发生方法包括如下步骤：
S1310：脉冲激光器发出相位随机的脉冲光。脉冲激光器发出相位随机的周期为T的频率固定的具有相干性的脉冲光。
S1320：光强稳定。光强稳定单元接收脉冲光，经检测调控后，输出光强值稳定的第一光信号。
S1330：信号光干涉。干涉仪接收第一光信号，经干涉后输出第三光信号或/和第四光信号。其中的干涉仪可以是MZ不等臂干涉仪，也可以是迈克尔逊干涉仪。
S1340：延时处理。在步骤S1303中，若干涉仪为MZ不等臂干涉仪，则需要光纤延时单元对第四光信号进行延时奇数倍T/2处理，形成第五光信号。
S1350：光电探测。光电探测单元接收第三光信号或/和第四光信号进行光电探测，输出量子随机数电信号。光电探测单元可以是平衡零差探测器，采用平衡零差探测器可以有效消除偏置误差，使得ADC码值分布可以达到或接近2^N。若步骤S1303的干涉仪为MZ不等臂干涉仪，则接收步骤S1304的第三光信号和第五光信号。
S1360：滤波处理。滤波单元接收量子随机数电信号进行滤波处理，去除量子随机数电信号中的经典噪声。
S1370：模拟数据采集与数字化转换。模拟数据采集与数字化转换单元接收量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数。
S1380：量子随机数后处理及随机性检测。量子随机数输出。量子随机数发生装置主控模块或量子随机数处理检测输出模块接收模拟数据采集与数字化转换单元输出的初始量子随机数，并对初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测。
S1390：量子随机数发生装置主控模块或量子随机数处理检测输出模块对初始量子随机数进行量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测之后，输出量子随机数。
本发明的量子随机数发生装置具有平衡零差探测功能，可以有效消除偏置误差，使得ADC码值可以达到0；本发明的量子随机数发生装置具有光强稳定功能，可以确保脉冲光的光强稳定，使得经光电探测后产生的量子随机数电信号电压值保持稳定，从而使得ADC码值可以达到2^N。因此本发明的量子随机数发生装置产生的量子随机数具有优良的随机性。本发明的量子随机数发生装置采用高速ADC进行数据采样，不同于现有技术方案中采用比较器，这样可以使每个脉冲信号干涉后得到多bit量子随机数源，提高随机数生成速率。本发明的量子随机数发生装置的模拟转换单元前端选用了滤波单元，可以用于对电路中的噪声进行滤除，降低了经典噪声在量子随机数中的成份。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。
Claims (13)
1.一种量子随机数发生装置，其特征在于，包括：
脉冲激光单元，其经配置发出相位随机的周期为T的脉冲光；
光强稳定单元，其经配置接收所述脉冲光，输出光强值稳定的第一光信号；
干涉仪，其经配置接收所述第一光信号，并进行干涉，输出第三光信号或/和第四光信号；
光电探测单元，其经配置接收所述第三光信号或/和第四光信号，并进行光电探测，输出量子随机数电信号；
模拟数据采集与数字化转换单元，其经配置接收所述量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数；
其中，所述光强稳定单元进一步包括：
可调衰减器，其经配置接收所述脉冲光，接收光强调控信号，输出脉冲光信号；
分束器，其经配置接收所述脉冲光信号，经分束形成第一光信号、第二光信号并输出；
光强检测单元，其经配置接收所述第二光信号并进行光强检测，将检测到的光强值以光强值信号输出；
可调控制单元，其经配置接收光强调控控制信号，并经处理发出光强调控信号。
2.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，进一步包括量子随机数发生装置主控模块，其特征在于，包括：
脉冲激光器驱动控制模块，其经配置发出脉冲激光控制信号；
光强稳定驱动模块，其经配置接收所述光强稳定单元输出的光强值信号，向光强稳定单元发出光强调控控制信号；
延时控制驱动模块，其经配置向光纤延时单元发出延时控制信号；
量子随机数处理检测输出模块，其经配置接收所述模拟数据采集与数字化转换单元输出的所述初始量子随机数，并对所述初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测方式的处理检测后，输出量子随机数。
3.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述脉冲激光单元进一步包括：
脉冲激光器控制单元，其经配置接收所述脉冲激光控制信号，发出脉冲激光信号；
脉冲激光器，其经配置接收所述脉冲激光信号，发出相位随机的周期为T的脉冲光。
4.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述干涉仪进一步是迈克尔逊干涉仪。
5.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述干涉仪进一步是MZ不等臂干涉仪。
6.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其特征在于，进一步包括：
滤波单元，其经配置接收所述量子随机数电信号，并对其进行滤波，以去除所述量子随机数电信号中的经典噪声。
7.如权利要求6所述的量子随机数发生装置，其特征在于，进一步包括：
光纤延时单元，其经配置接收第四光信号，经延时奇数倍的T/2处理，形成第五光信号并输出。
8.如权利要求1或权利要求6所述的量子随机数发生装置，其特征在于，所述光电探测单元进一步是平衡零差探测器。
9.如权利要求1所述量子随机数发生装置，其特征在于，所述模拟数据采集与数字化转换单元可以是模拟数据采集卡、高速ADC模块单元，其位宽N可以是8bit,10bit,12bit,14bit,16bit的其中之一。
10.一种量子随机数发生方法，其特征在于，包括：
脉冲激光器发出相位随机的周期为T的脉冲光；
光强稳定单元接收脉冲光，经检测调控后，输出光强值稳定的第一光信号；
干涉仪接收第一光信号，经干涉后输出第三光信号或/和第四光信号；
光电探测单元接收第三光信号或/和第四光信号进行光电探测，输出量子随机数电信号；
模拟数据采集与数字化转换单元接收量子随机数电信号，并进行采样，输出初始量子随机数；
对初始量子随机数进行随机数源后数据处理、随机数随机性检测方式的处理检测后，输出量子随机数；
其中，光强稳定单元接收脉冲光并检测调控的步骤进一步包括：
接收所述脉冲光，接收光强调控信号，输出脉冲光信号；
接收所述脉冲光信号，经分束形成第一光信号、第二光信号并输出；
接收所述第二光信号并进行光强检测，将检测到的光强值以光强值信号输出；以及
接收光强调控控制信号，并经处理发出光强调控信号。
11.如权利要求10所述的量子随机数发生方法，其特征在于，进一步由滤波单元接收量子随机数电信号进行滤波处理，去除量子随机数电信号中的经典噪声。
12.如权利要求11所述的量子随机数发生方法，其特征在于，干涉仪进一步是MZ不等臂干涉仪，则需要光纤延时单元对第四光信号进行延时奇数倍T/2处理，形成第五光信号。
13.如权利要求12所述的量子随机数发生方法，其特征在于，光电探测单元进一步是平衡零差探测器，接收第三光信号、第五光信号进行光电探测，输出量子随机数电信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010677750.8A CN111562903B (zh) | 2020-07-15 | 2020-07-15 | 一种量子随机数发生装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010677750.8A CN111562903B (zh) | 2020-07-15 | 2020-07-15 | 一种量子随机数发生装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111562903A CN111562903A (zh) | 2020-08-21 |
| CN111562903B true CN111562903B (zh) | 2020-12-29 |
Family
ID=72073936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010677750.8A Active CN111562903B (zh) | 2020-07-15 | 2020-07-15 | 一种量子随机数发生装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111562903B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114005723B (zh) * | 2021-11-05 | 2023-07-21 | 国开启科量子技术(北京)有限公司 | 噪声稳定的离子阱驱动装置及*** |
| CN114826594B (zh) * | 2022-07-01 | 2022-11-08 | 国开启科量子技术(北京)有限公司 | 光源最佳发光位置确定方法及量子随机数生成装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150331672A1 (en) * | 2014-05-19 | 2015-11-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Random number generator |
| EP2754243B1 (en) * | 2011-09-09 | 2016-08-17 | National Research Council of Canada | Random number generator |
| CN106354476A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-01-25 | 浙江神州量子网络科技有限公司 | 基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法 |
| CN109240645A (zh) * | 2018-01-19 | 2019-01-18 | 北京中创为量子通信技术有限公司 | 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法 |
| CN209103272U (zh) * | 2018-01-19 | 2019-07-12 | 北京中创为量子通信技术有限公司 | 一种量子随机数发生器 |
-
2020
- 2020-07-15 CN CN202010677750.8A patent/CN111562903B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2754243B1 (en) * | 2011-09-09 | 2016-08-17 | National Research Council of Canada | Random number generator |
| US20150331672A1 (en) * | 2014-05-19 | 2015-11-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Random number generator |
| CN106354476A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-01-25 | 浙江神州量子网络科技有限公司 | 基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法 |
| CN109240645A (zh) * | 2018-01-19 | 2019-01-18 | 北京中创为量子通信技术有限公司 | 一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法 |
| CN209103272U (zh) * | 2018-01-19 | 2019-07-12 | 北京中创为量子通信技术有限公司 | 一种量子随机数发生器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111562903A (zh) | 2020-08-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11442698B2 (en) | Quantum random number generators | |
| JP4952461B2 (ja) | 乱数生成装置および乱数生成方法 | |
| CN111562903B (zh) | 一种量子随机数发生装置及方法 | |
| JP4423431B2 (ja) | 物理乱数生成方法及び物理乱数生成装置 | |
| EP1708364B1 (en) | Photo detecting circuit and noise elimination method | |
| US9276680B2 (en) | Adaptive sampling qualification for extinction ratio control | |
| JP2013503374A (ja) | ネットワーク分散量子乱数発生 | |
| CN110851111B (zh) | 一种高安全的源无关量子随机数产生装置与方法 | |
| CN110462846B (zh) | 光检测器 | |
| CN115373632A (zh) | 一种基于偏振的激光相位波动的量子随机数产生*** | |
| Huang et al. | Real-time and high-speed underwater photon-counting communication based on SPAD and PPM symbol synchronization | |
| EP3232263B1 (en) | Analog-to-digital converter | |
| Wen et al. | A high-speed and high-sensitivity photon-counting communication system based on multichannel SPAD detection | |
| JP2006287307A (ja) | 光子検出回路およびノイズ除去方法 | |
| CN110196710B (zh) | 芯片结构零差探测的量子随机数发生器 | |
| Marosits et al. | Amplified spontaneous emission based quantum random number generator | |
| Schranz et al. | Effects of sampling rate on amplified spontaneous emission based single-bit quantum random number generation | |
| WO2021031667A1 (zh) | 单光子探测装置和方法 | |
| US7285994B2 (en) | Rotational frequency detector system | |
| CN107817967B (zh) | 基于sfp收发一体的量子随机数发生器 | |
| CN114389715B (zh) | 一种qkd的同步光检测与监控纠正*** | |
| CN112181363A (zh) | 内嵌量子随机数发生器及发生***的主控*** | |
| CN117093183B (zh) | 基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生*** | |
| CN218103140U (zh) | 一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机 | |
| CN111223883B (zh) | 一种双时步光电倍增器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240428 Address after: No. 049, 3rd Floor, Building A4, Phase I, Zhong'an Chuanggu Science and Technology Park, No. 900 Wangjiang West Road, High tech Zone, Hefei City, Anhui Province, 230031 Patentee after: Guokaike Quantum Technology (Anhui) Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 100097 203, block a, No.51, Hunan Road, Kunming, Haidian District, Beijing Patentee before: Guokaike quantum technology (Beijing) Co.,Ltd. Country or region before: China |