CN206115423U - 一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接。本实用新型基于自发辐射的量子物理随机过程，通过快速简单的识别光信号强度来产生数字信号，经过严格的量子熵随机提取出随机数来提供一种高集成、低成本、高速率的基于放大自发辐射的量子随机数发生器。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器。
背景技术
随机数顾名思义为一串0、1随机分布的序列，它是一种非常重要的资源。随机数在科学研究、工业生产、国防等众多领域都扮演着非常重要的角色。具体而言随机数广泛地应用于数值计算和模拟、密码学、网络安全、大数据存储、游戏设计、***业和数字通信等领域。
根据随机数的产生原理可以将其分为两个大类，即伪随机数和真随机数。伪随机数是通过某种算法和特定种子生成的，可以通过一些随机性的统计测试。常用的伪随机数产生的方法为线性同余法、非线性同余法、反馈位移寄存法等。伪随机数顾名思义不是完全随机的随机数，它是通过特定算法和种子获得的数据，因此在许多较高安全保护领域，伪随机数非常难以满足需求。
真随机数是通过自然界中的物理过程产生的随机数即物理随机数。利用经典物理过程产生随机数的方式有电阻的热噪声、振荡器的频率抖动、电子元件的噪音等。其中基于电阻的热噪声的真随机数已经实现了速率为20Mbps的芯片化商用阶段。理想的随机数需要满足下列三个要求：无偏性、不可预测性、不可重复性。然而考虑经典物理过程可能被攻击者所影响，因而其产生的随机数并没有从本质上得到完全的随机性保证。利用量子力学的基本原理，量子物理过程可以产生理想的真随机数。经过多年的发展目前已经有多种量子随机数发生器方案，例如基于单光子路径选择方案[J.Modern Optics,47,595(2000)]、基于光子到达时间的方案[Opt.Express 18,9351(2010)]、基于真空态涨落的方案[Nat.Photonics 4,711(2010)]、基于激光器相位噪声的方案[Opt.Express 20,12366(2012)]等。但是现有的量子随机数发生器的方案各自存在不同的缺点，有的随机数产生速率低，有的需要复杂的相位稳定***不利于集成，有的制造的成本高等问题。随着信息社会的发展，利用最小熵估计而提取的高速率、低成本的量子随机数的需求越来越强烈。
实用新型内容
基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器。
本实用新型提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接。
优选地，超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器；光接收模块包括一个或多个光接收单元，滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。
优选地，任意两个滤波器的中心波长不同。
优选地，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级。
优选地，光接收单元包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器，光电探测器连接滤波器，数字信号产生器连接数据采集处理模块；其中，光电探测器采用光电二极管或雪崩光电二极管，甄别整形放大器采用跨阻放大器或者前置放大器，数字信号产生器采用限幅放大器或者模数转换器。
优选地，模数转换器的位宽优选为8比特。
优选地，辐射发光二极管、滤波器、光电探测器、甄别整形放大器、数字信号产生器和数据采集处理模块均由电路板供电且集成工作在电路板上。
优选地，超辐射发光二极管、滤波器和光电探测器通过光纤、光波导或自由空间依次连接。
优选地，光电探测器和甄别整形放大器集成封装形成光接收组件。
优选地，数据采集处理模块采用FPGA处理芯片、DPS芯片、GPU芯片或PC机。
本实用新型中，超辐射发光二极管发出放大自发辐射光，经过滤波后的光子数分布具有较大方差的近似高斯分布的简并玻色-爱因斯坦分布，其通过光电探测器转化为电流信号，再经过甄别整形放大得到电压信号，利用数字信号产生器产生数字信号，数字信号经过数据采集处理模块采集得到原始部分随机的随机数序列。部分随机的序列通过基于快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数处理，得到完全随机的信息理论条件下安全的量子随机数比特串。
本实用新型通过将放大自发辐射光的随机强度信息转化为数字信号，再通过高速采集和后处理得到量子随机数比特串。本实用新型基于自发辐射的量子物理随机过程，通过快速简单的识别光信号强度来产生数字信号，经过严格的量子熵随机提取出随机数来提供一种高集成、低成本、高速率的基于放大自发辐射的量子随机数发生器及产生方法。根据本实用新型的量子随机数发生器可以广泛的应用到对随机数需求的地方，同时可以和相应的设备集成到一起或单独使用。例如集成到量子密钥分发***中，作为量子密钥分发***的一个处理模块。
本实用新型中，超辐射发光模块、光接收模块与数据采集处理模块可以集成到一个电路板上，并有进一步集成的空间。基于放大自发辐射的量子随机数发生器可以实现低成本、高速率、小型化，同时本实用新型的量子随机数发生器可以与众多的设备集成到一起，为它们提供安全可靠的量子随机数。
附图说明
图1为本实用新型基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构图；
图2为本实用新型增加多个不同中心滤波器和多个光接收单元并行产生随机数的基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构图；
图3为本实用新型提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构示意图；
图4为本实用新型提出的另一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器的结构示意图；
图5为本实用新型提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生方法流程图。
具体实施方式
参照图1，本实用新型提出的一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块。
超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器，且超辐射发光二极管和滤波器集成封装。参照图2，光接收模块包括一个或多个光接收单元。滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。光接收单元包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器，光电探测器连接滤波器。本实施方式中，超辐射发光二极管、滤波器和光电探测器可以用光纤、光波导或者自由空间等介质连接。本实用新型采用的超辐射发光二极管已经做到商用蝶形封装且有进一步缩小并有大规模集成的优势。
本实施方式中，光电探测器和甄别整形放大器集成封装形成光接收组件。例如，当光电探测器和甄别整形放大器分别采用雪崩光电二极管和跨阻放大器，雪崩光电二极管和跨阻放大器集成封装形成光接收组件。
超辐射发光二极管产生放大自发辐射光，滤波器根据中心波长对放大自发辐射光进行滤波，光电探测器对滤波后的放大自发辐射光进行探测，并根据不同的瞬时光强将光信号转变为相应的电流信号。本实施方式中，滤波器还用来调节滤波后的放大自发辐射光在光电探测器探测时的光强分布。具体地，滤波器可通过调节中心波长调节光强分布。甄别整形放大器用于将微弱的电流信号转变为足够幅度的电压信号。数字信号产生器用于将幅度不同的电压信号处理成数字信号。
本实施方式中，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级，以便让光电探测器探测到的光强的分布变为近似于高斯分布的简并玻色-爱因斯坦分布。
本实施方式中，当光接收单元为多个时，可以采用多个不同中心波长的滤波器和多个光接收单元并行连接产生随机数字信号的方法，提高随机数的产生效率。
参照图3、图4，具体实施时，光电探测器可采用光电二极管或雪崩光电二极管，甄别整形放大器可采用跨阻放大器或者前置放大器，数字信号产生器可采用限幅放大器或者模数转换器。
数字信号产生器连接数据采集处理模块。数据采集处理模块，用来采集所述光接收模块产生的数字信号，并根据数字信号形成部分随机的二进制比特串，然后利用快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。本实施方式中，数据采集处理模块可采用FPGA处理芯片、DPS芯片、GPU芯片或PC机。
本实施例中，当光接收模块包含多个光接收单元，超辐射发光模块中包含多个不同中心波长的滤波器。数据采集处理模块接收由多个光接收单元转换来的多个数字信号后，可以实现多路信号同时按顺序采集或穿插排列采集形成原始随机数比特串。
本实施方式，图3所示实施例中，光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器分别采用雪崩光电二极管、跨阻放大器和限幅放大器，数据采集处理模块采用FPGA处理芯片。超辐射发光二极管产生放大自发辐射光，经过滤波器滤波后的放大自发辐射光的光子数分布为大方差的近似高斯分布的简并玻色-爱因斯坦分布，雪崩光电二极管探测放大自发辐射光电的瞬时能量形成微弱的光电流，跨阻放大器将光电流甄别整形放大为合适电压信号，限幅放大器将幅度不同的电压信号处理成等幅的1比特的数字信号，FPGA处理芯片对数字信号利用选样时钟进行数据采集形成部分随机的二进制比特串，通过基于快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数处理，得到完全随机的信息理论条件下安全的量子随机数比特串。
本实施例中，滤波器的带宽是雪崩光电二极管的带宽的几十倍，用于调节放大自发辐射光的光子数的分布以便形成简并玻色-爱因斯坦分布。雪崩光电二极管的带宽大于FPGA处理芯片采集原始数据的采样率，以保证FPGA处理芯片随机采样。
本实施方式图4所示实施例与图3所示实施例的区别仅在于数字信号产生器由限幅放大器改为模数转换器。模数转换器将连续变化的电压信号转换为数字信号，其位宽优选为8比特。
本实施方式中，超辐射发光二极管产生的放大自发辐射光的光子数分布为玻色-爱因斯坦统计的热分布，表示为：
如果滤波器的带宽是雪崩光电二极管带宽的g倍，那么雪崩光电二极管探测到的放大自发辐射光的光子数分布可以表示为：
该分布为简并的玻色-爱因斯坦分布，当g为几十时，该分布近似为高斯分布，且其方差近似为g(λ+λ2)是之前热分布方差的倍数。
根据滤波后的放大自发辐射光的光强分布可以由雪崩光电二极管探测产生相应的电流信号，再经过跨阻放大器甄别整形放大产生合适幅度的电压信号。然后利用限幅放大器将不同幅度的信号转换为等幅的数字信号或者利用模数转换器得到数字信号。
最小熵用来量化量子噪声产生的随机性，其定义为：
利用统计测试可以估计出最小熵的大小，定义原始数据每比特可以提取的部分为Hmin。部分随机的二进制比特串是由包含经典噪声和量子噪声共同产生的，我们需要利用随机数提取方法提取来自于量子噪声的量子随机数。类似于量子密钥分发中的隐私放大，普适的哈希函数可以从部分随机的数据中提取出可以证明的好的随机数。特普利茨矩阵是一类特殊的二类普适哈希函数，结合快速傅里叶变换的高速运算优势。利用基于快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数处理原始部分随机数比特串，将n位部分随机二进制比特串变换为m位的二进制比特串，在Hmin＞m/n条件下下，得到信息理论安全的量子随机数且其失败概率为经过后处理即随机性提取得到的量子随机数是基于量子力学的基本原理，其随机性是信息理论可保证的。
以下，结合上述基于放大自发辐射的量子随机数发生器对本实用新型提供的一种基于放大自发辐射的量子随机数产生方法进行解释。
参照图5，本实用新型提供的一种基于放大自发辐射的量子随机数产生方法，包括以下步骤：
S1、获取放大自发辐射光，并对其进行滤波。
本步骤中，放大自发辐射光由超辐射发光二极管产生，并通过滤波器对放大自发辐射光进行滤波。本步骤中，通过对放大自发辐射光进行滤波可调节对放大自发辐射光进行能量探测时的光强分布。
S2、对滤波后的放大自发辐射光进行能量探测，将光信号转换为电信号，对电信号进行放大整形后，将其由模拟信号转换为数字信号。
步骤S1中，可采用多个不同中心波长的滤波器对放大自发辐射光进行滤波，从而生成不同中心波长的光强信号。步骤S2中，对不同中心波长的放大自发辐射光进行探测，并根据不同的光强信号生成数字信号。
本步骤中，可采用光接收模块接收滤波后的放大自发辐射光，并将其转换成数字信号。对应步骤S1中采用多个不同中心波长的滤波器的情况，光接收模块包括与滤波器一一对应的光接收单元用于将光强信号转换为数字信号。
本实施方式中，光接收单元由依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器。光电探测器对滤波后的放大自发辐射光进行探测，并根据不同的瞬时光强将光信号转变为相应的电流信号。甄别整形放大器用于将微弱的电流信号转变为足够幅度的电压信号。数字信号产生器用于将幅度不同的电压信号处理成数字信号。
S3、根据数字信号生成部分随机的二进制比特串，并进行随机数提取得到完全的量子随机数。
本步骤具体为，将获得的多个数字信号穿插排列或按顺序排列方式进行多路复用采集形成二进制比特串，利用快速傅里叶变换的特普利茨-哈希函数进行随机数提取得到完全的量子随机数。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，包括：超辐射发光模块、光接收模块和数据采集处理模块；超辐射发光模块的发射端与光接收模块的输入端连接，光接收模块的输出端与数据采集处理模块的接收端连接；
超辐射发光模块包括超辐射发光二极管和滤波器；光接收模块包括一个或多个光接收单元，滤波器与光接收单元一一对应，每一个光接收单元通过一个并行的滤波器连接超辐射发光二极管。
2.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，任意两个滤波器的中心波长不同。
3.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，滤波器的带宽比光接收单元的带宽高一个量级。
4.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，光接收单元包括依次连接的光电探测器、甄别整形放大器和数字信号产生器，光电探测器连接滤波器，数字信号产生器连接数据采集处理模块；其中，光电探测器采用光电二极管或雪崩光电二极管，甄别整形放大器采用跨阻放大器或者前置放大器，数字信号产生器采用限幅放大器或者模数转换器。
5.如权利要求4所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，模数转换器的位宽优选为8比特。
6.如权利要求4所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，辐射发光二极管、滤波器、光电探测器、甄别整形放大器、数字信号产生器和数据采集处理模块均由电路板供电且集成工作在电路板上。
7.如权利要求4所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，超辐射发光二极管、滤波器和光电探测器通过光纤、光波导或自由空间依次连接。
8.如权利要求4所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，光电探测器和甄别整形放大器集成封装形成光接收组件。
9.如权利要求1所述的基于放大自发辐射的量子随机数发生器，其特征在于，数据采集处理模块采用FPGA处理芯片、DPS芯片、GPU芯片或PC机。
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| CN108446100A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-08-24 | 清华大学 | 一种基于光强涨落的量子随机数生成器 |
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