CN114089953B - 一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法，其中量子随机数发生器包括量子光源、分束器、反馈控制调节电路以及依次连接的光电探测器、信号采样电路和比较器，量子光源用于产生光信号；分束器用于光信号分为光功率比固定的两束光信号；光电探测器用于对一路光信号进行直接强度探测；信号采样电路用于得到采样电压v；比较器用于将采样电压v与初始化阈值v_e进行比较，得到随机序列；反馈控制调节电路用于实时测量另一路光信号的光功率P以计算光功率增量ΔP，再基于ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小，并对量子光源的光功率大小进行调节。本发明可有效实现量子光源光功率的稳定控制，保障初始化阈值的有效性。

Description

一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法

技术领域

本发明涉及量子随机数发生器技术领域，尤其涉及一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法。

背景技术

当前，实用化的量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)依据其测量结果的维度可以分为离散型和连续型。离散型是指QRNG的探测输出是离散的，主要基于(准)单光子源和单光子探测。其优势是原理简单，量子模型清晰；其缺点是随机数产生速率受限于单光子探测器的死时间、探测效率、时间抖动等因素。代表性方案包括测量光子的空间分辨性、测量光子的时间分辨性、测量量子态的光子数分布等。连续型是指QRNG的探测输出是连续的，主要基于宏观探测。其优势是产生速率高；其缺点是***建模复杂，信息论安全性证明困难。代表性方案包括测量真空涨落噪声、测量激光相位噪声、测量放大自发辐射噪声等。

测量量子态光子数分布方案的一般原理如图1所示，该方案一般采用具有明确光子数统计分布的量子光源产生光信号，例如泊松分布光源(强衰减激光器、发光二极管等)和玻色爱因斯坦分布光源(超辐射发光二极管、掺铒光纤放大器等)。量子光源产生光信号入射至光电探测器(Photon Detector,PD)进行直接强度探测，在每一个探测时间窗口内得到正比于光子数目n的光电流i，然后经过信号采样电路得到正比于光电流i的采样电压v，即v＝c₁·i＝c₁·c₂·n＝A·n(A为PD和信号采样电路的综合响应系数，可通过实验测定)，则采样电压v与量子光源产生的光子数目n具有一致的统计特性。因此可以结合量子光源的光子数统计分布和综合响应系数A计算出采样电压的等概率比较阈值v_e(即每次的采样电压小于或大于此阈值的概率均为50％)，通过将每次的采样电压v与阈值v_e输入比较器进行比较，即可得到初始随机序列(v<v_e产生比特0，v≥v_e产生比特1)，根据初始随机序列的偏置情况对其进行可选的数据后处理后即可得到最终随机序列。

以泊松分布光源为例，假定所采用的激光器中心波长为λ＝1550nm，光功率为P＝1mW，PD探测带宽为B_ele＝2GHz，可以计算得到探测时间窗口内的平均光子数为

其中h为普朗克常数，c为真空中的光速。则光源在PD探测时间窗口内的光子数统计分布为

P(n＝k)即为PD在探测时间窗口内探测到k个光子的概率，将带入上式可进一步计算得到探测光子数的等概率划分值n_e以及相应的采样电压的等概率比较阈值v_e＝An_e，如图2所示，将比较器的比较阈值设定为v_e即可输出初始随机序列。

当QRNG***工作状态保持稳定时，比较器可以对PD的探测结果进行等概率划分，此时初始随机序列中0、1个数相等，原则上不需要进行数据后处理。但是在实际应用中，由于QRNG***不可避免地会受到温度、振动、使用寿命等因素的影响，量子光源的工作状态(如中心波长、光功率等)会随时间发生漂移，预设的比较器阈值可能不适用于量子光源新的工作状态，造成初始随机序列中存在偏置。

此时一般需要采取如冯诺依曼纠偏等方法进行数据后处理，以得到无偏置的、均匀的随机序列。对于这类QRNG***，数据后处理不仅增加了***的复杂度，同时还会造成数据损失，导致随机数产生速率下降，例如采取如冯诺依曼纠偏进行数据后处理，最终随机序列的长度仅仅约为初始随机序列长度的25％。而当QRNG***工作状态发生较大漂移时，可能导致初始随机序列存在严重偏置，即使采用后处理方法也无法产生随机数。

如图3所示，仍然以泊松分布光源为例，假定所采用的激光器中心波长为λ＝1550nm，光功率为P＝1mW，PD探测带宽为B_ele＝2GHz，当光源光功率发生±0.5％漂移(即1.005mW和0.995mW)时，如果比较器阈值仍然设定为光功率为1mW时所计算出来的大小v_e＝An_e。则0.5％漂移时，采样电压全部大于v_e，比较器输出的初始随机序列全部为1；而-0.5％漂移时，采样电压全部小于v_e，比较器输出的初始随机序列全部为0，这两种情况下均无法产生有效的最终随机序列。

因此针对此类QRNG复杂度，需要定时对量子光源等器件进行校准以抵消工作状态漂移所带来的影响，增加了***的复杂度。

发明内容

针对测量量子态光子数分布的QRNG***，因量子光源工作状态随时间发生漂移而导致初始化设定的比较器阈值失效的问题，本发明提出一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法，基于实时计算当前激光器的出射光功率相较于初始化光功率的偏移量和反馈控制算法，可以有效实现量子光源光功率的稳定控制，保障初始化设定的比较器阈值的有效性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，包括：

量子光源，用于产生光信号；

分束器，用于将所述量子光源产生的光信号分为光功率比固定的两束光信号；

光电探测器，用于对一路光信号进行直接强度探测，在每一个探测时间窗口内得到正比于光子数目n的光电流i；

信号采样电路，用于得到正比于光电流i的采样电压v；

比较器，用于将每次的采样电压v与初始化阈值v_e进行比较，得到随机序列；

反馈控制调节电路，用于实时测量另一路光信号的光功率P以计算光功率增量ΔP，再基于光功率增量ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小，并对所述量子光源的光功率大小进行调节。

进一步地，所述反馈控制调节电路包括：

光功率计，用于实时测量另一路光信号的光功率P；

微控制器，用于将光功率P与初始化时的光功率P₀进行比较，计算得到光功率增量ΔP＝P-P₀，基于光功率增量ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小；

数模转换器，用于将量子光源驱动信号转换为量子光源驱动模拟信号；

光源驱动，用于根据量子光源驱动模拟信号完成对量子光源光功率大小的调节。

进一步地，所述反馈控制类型包括负反馈调节和PID调节。

进一步地，当反馈控制类型采用负反馈调节时，量子光源驱动信号为：

V_D＝V'_D+k·ΔP

其中V'_D是上一次反馈调节输出的驱动电压，k为负反馈调节的比例系数。

进一步地，所述分束器的分束比即两路光信号的光功率比包括50：50，即等功率分束。

一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，包括以下步骤：

S1.所述无偏置量子随机数发生器上电时，所述光源驱动输出预设大小的驱动电流驱动所述量子光源发出光信号，经过所述分束器分束为功率比固定的两束光光信号，其中一路光信号进入所述反馈控制调节电路，计算并设定所述比较器的初始化阈值v_e；

S2.设定好所述比较器的初始化阈值v_e之后，所述分束器分束得到的另一路光信号经过所述光电探测器和所述信号采样电路产生采样电压v，所述比较器通过比较采样电压v与初始化阈值v_e的大小产生随机数；

S3.随着工作时间的增加，所述反馈控制调节电路根据所述光功率计的实时测量结果对所述量子光源的驱动电流大小进行调节，抵消工作状态漂移的影响，以保障初始化阈值v_e的有效性。

进一步地，步骤S1中，计算并设定所述比较器的初始化阈值v_e包括以下步骤：

S101.根据所述光功率计测量的初始化光功率P₀计算平均光子数

其中，h为普朗克常数，c为真空中的光速，λ为所述量子光源的中心波长，B_ele为所述光电探测器的探测带宽；

S102.根据平均光子数计算所述量子光源的光子数统计分布；

S103.根据所述量子光源的光子数统计分布计算出所述光电探测器探测光子数的等概率划分值n_e；

S104.根据等概率划分值n_e以及实验测定的所述光电探测器和所述信号采样电路的综合响应系数A，计算并设定所述比较器的初始化阈值v_e：

v_e＝A·n_e。

进一步地，步骤S102中，若所述量子光源为泊松分布光源，则光子数统计分布表达式为：

进一步地，步骤S2中，所述比较器将采样电压v与初始化阈值v_e进行比较时，若v<v_e则输出比特0，若v≥v_e则输出比特1，从而得到随机序列。

进一步地，步骤S3中：

若ΔP<0，即光子数统计分布曲线相较于P＝P₀时向左漂移，则使反馈调节量k·ΔP>0，以增大所述光源驱动的驱动电流，提升光功率，从而将光子数统计分布曲线整体右移，抵消工作状态漂移的影响；

若ΔP>0，即光子数统计分布曲线向右漂移时，则使反馈调节量k·ΔP<0，以减小所述光源驱动的驱动电流，降低光功率，从而将光子数统计分布曲线整体左移，抵消工作状态漂移的影响。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法，基于实时计算当前激光器的出射光功率相较于初始化光功率的偏移量和反馈控制算法，可以有效实现量子光源光功率的稳定控制，保障初始化设定的比较器阈值的有效性，即保证比较器基于初始化设定的比较器阈值可以对采样电压进行准确的等概率划分，因此原则上比较器的输出结果是无偏置的最终随机序列，无需进行数据后处理，降低了***复杂度的同时还可以有效提升随机数产生速率。

附图说明

图1为测量量子态光子数分布的QRNG方案原理图。

图2为泊松分布光源探测结果等概率划分原理图，其中(a)为探测光子数的等概率划分，(b)为采样电压的等概率划分。

图3为量子光源光功率漂移后的比较器判定结果。

图4为本发明实施例1的基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器原理图。

图5为本发明实施例2的反馈调节效果示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

实施例1

本实施例提供了一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，基于实时计算当前激光器的出射光功率相较于初始化光功率的偏移量和反馈控制算法，可以有效实现量子光源光功率的稳定控制，保障初始化设定的比较器阈值的有效性。

如图4所示，本实施例的无偏置量子随机数发生器包括量子光源、分束器(BeamSplitter,BS)、反馈控制调节电路以及依次连接的光电探测器(Photoelectric Detector,PD)、信号采样电路和比较器(Comparator,CMP)，其中量子光源用于产生光信号；分束器用于将量子光源产生的光信号分为光功率比固定的两束光信号；光电探测器用于对其中一路光信号进行直接强度探测，在每一个探测时间窗口内得到正比于光子数目n的光电流i；信号采样电路用于得到正比于光电流i的采样电压v；比较器用于将每次的采样电压v与初始化阈值v_e进行比较，得到随机序列；反馈控制调节电路用于实时测量另一路光信号的光功率P以计算光功率增量ΔP，再基于光功率增量ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小，并对量子光源的光功率大小进行调节。

具体地，反馈控制调节电路包括依次连接的光功率计(Power Meter,PM)、微控制器(MCU)、数模转换器(DAC)和光源驱动(DRI)，其中光功率计用于实时测量另一路光信号的光功率P；微控制器用于将光功率P与初始化时的光功率P₀进行比较，计算得到光功率增量ΔP＝P-P₀，基于光功率增量ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小；数模转换器用于将量子光源驱动信号转换为量子光源驱动模拟信号；光源驱动用于根据量子光源驱动模拟信号完成对量子光源光功率大小的调节。

其中，反馈控制类型包括负反馈调节和PID调节，例如当反馈控制类型采用负反馈调节时，量子光源驱动信号为：

V_D＝V'_D+k·ΔP

其中V'_D是上一次反馈调节输出的驱动电压，k为负反馈调节的比例系数。

优选地，分束器的分束比即两路光信号的光功率比包括50：50，即等功率分束。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

本实施例提供了一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，包括以下步骤：

S1.无偏置量子随机数发生器上电时，光源驱动输出预设大小的驱动电流驱动量子光源发出光信号，经过分束器分束为功率比固定的两束光光信号，本实施例以50：50等功率分束为例，其中一路光信号进入反馈控制调节电路，计算并设定比较器的初始化阈值v_e；

S2.设定好比较器的初始化阈值v_e之后，分束器分束得到的另一路光信号经过光电探测器和信号采样电路产生采样电压v，比较器通过比较采样电压v与初始化阈值v_e的大小产生随机数；

S3.完成初始化之后，随着工作时间的增加，无偏置量子随机数发生器中的各个器件都不可避免会受到环境、温度、振动等因素的影响，发生工作状态的漂移。例如即使驱动电流大小不变，量子光源也可能因为工作寿命的因素出现光功率变大或变小的现象。此时反馈控制调节电路根据光功率计的实时测量结果对量子光源的驱动电流大小进行调节，抵消工作状态漂移的影响，以保障初始化阈值v_e的有效性。

优选地，步骤S1中，计算并设定比较器的初始化阈值v_e包括以下步骤：

S101.根据光功率计测量的初始化光功率P₀计算平均光子数

其中，h为普朗克常数，c为真空中的光速，λ为量子光源的中心波长，B_ele为光电探测器的探测带宽；

S102.根据平均光子数计算量子光源的光子数统计分布，例如，若量子光源为泊松分布光源，则光子数统计分布表达式为：

S103.根据量子光源的光子数统计分布计算出光电探测器探测光子数的等概率划分值n_e；

S104.根据等概率划分值n_e以及实验测定的光电探测器和信号采样电路的综合响应系数A，计算并设定比较器的初始化阈值v_e：

v_e＝A·n_e。

优选地，步骤S2中，比较器将采样电压v与初始化阈值v_e进行比较时，若v<v_e则输出比特0，若v≥v_e则输出比特1，从而得到随机序列。由于本实施例中分束器分出的两束光功率比固定，因此初始化阈值v_e可以实现对采样电压v的等概率划分比较，输出的随机序列原则上是无偏置的，即比特0/1随机产生且0/1比例相等，因此可以不需要进行数据后处理。

优选地，步骤S3包括以下子步骤：

S301.光功率计对分束器分束出的一路光信号进行高精度测量，得到当前光信号的平均光功率P，并通过数据接口将光功率P传输给微控制器；

S302.微控制器获取到实时光功率P之后，与初始化时的光功率P₀进行比较，计算得到光功率增量：

ΔP＝P-P₀

S303.微控制器根据光功率增量ΔP和反馈调节类型(如负反馈调节、PID调节等)，计算新的量子光源驱动信号V_D，例如采用最简单的负反馈调节时：

V_D＝V'_D+k·ΔP

其中V'_D是上一次反馈调节输出的驱动电压、k为负反馈调节的比例系数(k<0)。

S304.微控制器再将计算出来的量子光源驱动信号V_D输出至数模转换器，数模转换器根据量子光源驱动信号V_D设定相应的驱动电流大小，完成对量子光源光功率大小的调节。其具体的调节效果如图5所示，若ΔP<0，即光子数统计分布曲线相较于P＝P₀时向左漂移，则使反馈调节量k·ΔP>0，以增大光源驱动的驱动电流，提升光功率，从而将光子数统计分布曲线整体右移，抵消工作状态漂移的影响；若ΔP>0，即光子数统计分布曲线向右漂移时，则使反馈调节量k·ΔP<0，以减小光源驱动的驱动电流，降低光功率，从而将光子数统计分布曲线整体左移，抵消工作状态漂移的影响。

本实施例通过对光功率进行实时测量和高速反馈调节，可以将光功率稳定在P₀，从而保障了初始化阈值v_e的有效性，比较器输出的随机数序列原则上是无偏置的，无需要进行数据后处理。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

Claims (10)

1.一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，包括：

量子光源，用于产生光信号；

光电探测器，用于对光信号进行直接强度探测，在每一个探测时间窗口内得到正比于光子数目n的光电流i；

信号采样电路，用于得到正比于光电流i的采样电压v；

比较器，用于将每次的采样电压v与初始化阈值v _e进行比较，得到随机序列；

其特征在于，还包括：

分束器，用于将所述量子光源产生的光信号分为光功率比固定的两束光信号，其中一路光信号进入所述光电探测器；

反馈控制调节电路，用于实时测量另一路光信号的光功率P以计算光功率增量，再基于光功率增量/>和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小，并对所述量子光源的光功率大小进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，其特征在于，所述反馈控制调节电路包括：

光功率计，用于实时测量另一路光信号的光功率P；

微控制器，用于将光功率P与初始化时的光功率P ₀进行比较，计算得到光功率增量，基于光功率增量/>和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小；

数模转换器，用于将量子光源驱动信号转换为量子光源驱动模拟信号；

光源驱动，用于根据量子光源驱动模拟信号完成对量子光源光功率大小的调节。

3.根据权利要求2所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，其特征在于，所述反馈控制类型包括负反馈调节和PID调节。

4.根据权利要求3所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，其特征在于，当反馈控制类型采用负反馈调节时，量子光源驱动信号为：

其中是上一次反馈调节输出的驱动电压，/>为负反馈调节的比例系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器，其特征在于，所述分束器的分束比即两路光信号的光功率比包括50：50，即等功率分束。

6.一种用于权利要求2-4任一项所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 所述无偏置量子随机数发生器上电时，所述光源驱动输出预设大小的驱动电流驱动所述量子光源发出光信号，经过所述分束器分束为功率比固定的两束光信号，其中一路光信号进入所述反馈控制调节电路，计算并设定所述比较器的初始化阈值v _e；

S2. 设定好所述比较器的初始化阈值之后，所述分束器分束得到的另一路光信号经过所述光电探测器和所述信号采样电路产生采样电压v，所述比较器通过比较采样电压v与初始化阈值/>的大小产生随机数；

S3.随着工作时间的增加，所述反馈控制调节电路根据所述光功率计的实时测量结果对所述量子光源的驱动电流大小进行调节，抵消工作状态漂移的影响，以保障初始化阈值的有效性。

7.根据权利要求6所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，步骤S1中，计算并设定所述比较器的初始化阈值v _e包括以下步骤：

S101. 根据所述光功率计测量的初始化光功率P ₀计算平均光子数：

其中，为普朗克常数，/>为真空中的光速，/>为所述量子光源的中心波长，/>为所述光电探测器的探测带宽；

S102. 根据平均光子数计算所述量子光源的光子数统计分布；

S103. 根据所述量子光源的光子数统计分布计算出所述光电探测器探测光子数的等概率划分值n _e；

S104. 根据等概率划分值n _e以及实验测定的所述光电探测器和所述信号采样电路的综合响应系数A，计算并设定所述比较器的初始化阈值v _e：

。

8.根据权利要求7所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，步骤S102中，若所述量子光源为泊松分布光源，则光子数统计分布表达式为：

即为光电探测器在探测时间窗口内探测到k个光子的概率。

9.根据权利要求6所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述比较器将采样电压v与初始化阈值v _e进行比较时，若则输出比特0，若/>则输出比特1，从而得到随机序列。

10.根据权利要求7所述的一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器的控制方法，其特征在于，步骤S3中：

若，即光子数统计分布曲线相较于/>时向左漂移，则使反馈调节量/>，以增大所述光源驱动的驱动电流，提升光功率，从而将光子数统计分布曲线整体右移，抵消工作状态漂移的影响；

若，即光子数统计分布曲线向右漂移时，则使反馈调节量/>，以减小所述光源驱动的驱动电流，降低光功率，从而将光子数统计分布曲线整体左移，抵消工作状态漂移的影响。