CN209103272U - 一种量子随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种量子随机数发生器，该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。

Description

一种量子随机数发生器

技术领域

本实用新型涉及量子信息技术领域，特别是涉及一种量子随机数发生器。

背景技术

随着全球信息化，“互联网+”发展的如火如荼，当前网络已经是人类所离不开的重要资源。随之而来的是网络中存在的各种信息安全问题，据美国战略和国际研究中心统计，2016年网络犯罪给全球经济带来的损失高达4500亿美元；而到2021年，这一数字将增加到1万亿美元，为此，我国已经将网络安全上升为国家战略。而保护网络安全的重压手段就是现代经典密码技术和量子密码技术，这些密码技术中的基础就是随机数。随机数不仅在密码学中有着广泛的应用，还在数值计算、统计分析、蒙特卡罗模拟、***业、码分多址***、数字通信、雷达测试、遥控遥测、量子力学基础检验、网络验证码等诸多方面起着非常重要的作用。

在密码学中随机性是衡量一种密码技术是否“合格”的最基本的准则。然而从数据本身上来分析，我们根本不可能得出一串数据到底有多么的随机，什么样的数据才是处于随机性最高的。很多国家和机构都在不断的发展和更新一些统计测试方法来检验随机数，如果这些随机数通过给定的测试如NIST标准、国家标准、Alphabit、Diehard等检测时，则我们认为这个数据串的随机性比较好。然而从原理上来看，随机数可以分为两类即伪随机数和真随机数。伪随机数往往都是给定初始值再通过确定性的复杂函数算法而产生的一串看似随机的数据串。这些伪随机数往往都可以通过现有的随机数测试标准而被广泛的应用在网络安全的各个角落。本质上，只要该随机数产生的数学算法以及对算法赋予的初值被确定，我们就可以完全的预测出每一个随机比特，其随机性便变荡然无存。因此在很多安全性要求比较高的领域如党政军、金融、能源等高安全通信***中伪随机数往往都需要被替换掉。利用经典物理过程，如电路的热噪声、放射性元素衰变、FPGA电子元件噪声等都可以用来产生随机数。虽然这些随机数是基于物理过程而不是数学算法，它们可以克服计算能力的攻击。但是这些随机数据都是基于经典物理过程而获得的，往往其随机性在本质上并没有得到保证。例如在牛顿经典力学框架下，我们可以精确的确定物体的运行轨道，即经典物理学的确定性。然而在20世纪初发展起来区别于经典物理学的量子物理学，其基本原理便是不确定性。从而我们可以利用这一不确定性基本原理来产生完全的量子随机数。

现有的商业化量子随机数发生器，如IDQ公司的Quantis可以产生16Mbps的随机数也进入市场近10年。但是此类基于单光子探测的随机数速率由于受到单光子探测器最大计数率的制约，因此其速率只能在Mbps量级，且其利用单光子探测而成本昂贵。

实用新型内容

鉴于上述问题，本申请实施例提供了一种量子随机数发生器，以解决现有技术中量子随机数生成速率低且成本高的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例公开了一种量子随机数发生器，所述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；

所述脉冲激光器，用于向所述干涉仪输出脉冲激光信号，所述脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；

所述干涉仪，用于使两路脉冲激光信号之间发生干涉，并将生成的干涉光信号发送至所述光电探测器；其中，所述两路脉冲激光信号之间的光程时间差满足预设条件；

所述光电探测器，用于将所述干涉光信号转换为模拟电信号，并发送至所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对所述模拟电信号进行处理，生成量子随机数。

优选地，所述信号处理模块包括：

模数转换器，用于将所述模拟电信号转换为数字信号；

数据后处理子模块，用于根据所述数字信号生成量子随机数。

优选地，所述脉冲激光器的工作电压是由周期变化的交流电压叠加直流电压获得，所述直流电压小于所述脉冲激光器的阈值电压。

优选地，所述干涉仪为不等臂干涉仪；所述不等臂干涉仪，用于将所述脉冲激光器输出的脉冲激光信号分束，得到第一脉冲激光信号和第二脉冲激光信号，并使所述第一脉冲激光信号和所述第二脉冲激光信号发生干涉，将生成的干涉光信号发送至所述光电探测器。

优选地，所述不等臂干涉仪为非对称马赫增德尔干涉仪或非对称迈克尔逊法拉第干涉仪。

优选地，所述非对称马赫增德尔干涉仪包括第一分束器、第一干涉光路长臂、第一干涉光路短臂和第二分束器。

优选地，所述第一分束器和所述第二分束器的分束比为50:50。

优选地，所述第一分束器、所述第一干涉光路长臂、所述第一干涉光路短臂、所述第二分束器为保偏光纤器件。

优选地，所述非对称迈克尔逊法拉第干涉仪包括第三分束器、第二干涉光路长臂、第二干涉光路短臂、第一法拉第反射镜和第二法拉第反射镜。

优选地，所述第三分束器的分束比为50:50。

优选地，所述第三分束器、所述第二干涉光路长臂、所述第二干涉光路短臂、所述第一法拉第反射镜、所述第二法拉第反射镜为单模光纤器件。

优选地，所述脉冲激光信号为周期脉冲信号，所述第一脉冲激光信号与所述第二脉冲激光信号之间的光程时间差是所述脉冲激光信号的周期宽度的N±0.05倍，其中N≥1。

优选地，所述脉冲激光信号为周期脉冲信号，所述脉冲激光信号的脉冲宽度与周期宽度的比值大于或等于1/4，且小于或等于1/2。

优选地，所述脉冲激光信号的波长位于C波段。

优选地，所述脉冲激光信号的线宽小于8pm。

与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：

本申请提供了一种量子随机数发生器，该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。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一实施例提供的一种量子随机数发生器的结构示意图；

图2示出了本申请一实施例提供的一种非对称马赫增德尔干涉仪的结构示意图；

图3示出了本申请一实施例提供的一种非对称迈克尔逊法拉第干涉仪的结构示意图；

图4示出了本申请一实施例提供的一种量子随机数生成方法的步骤流程图；

附图标记说明：

11-脉冲激光器；12-干涉仪；13-光电探测器；14-模数转换器；15-数据后处理子模块；16-信号处理模块；21-第一分束器；22-第一干涉光路长臂；23-第一干涉光路短臂；24-第二分束器；31-第三分束器；32-第二干涉光路长臂；33-第二干涉光路短臂；34-第一法拉第反射镜；35-第二法拉第反射镜。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本申请一实施例提供了一种量子随机数发生器，参照图1，该量子随机数发生器可以包括：脉冲激光器11、干涉仪12、光电探测器13以及信号处理模块16；脉冲激光器11，用于向干涉仪12输出脉冲激光信号，该脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；干涉仪12，用于使两路脉冲激光信号之间发生干涉，并将生成的干涉光信号发送至光电探测器13；其中，两路脉冲激光信号之间的光程时间差满足预设条件；光电探测器13，用于将干涉光信号转换为模拟电信号，并发送至信号处理模块16；信号处理模块16，用于对模拟电信号进行处理，生成量子随机数。

具体的，信号处理模块16可以进一步包括：模数转换器14，用于将模拟电信号转换为数字信号；以及数据后处理子模块15，用于根据数字信号生成量子随机数。

其中，脉冲激光器11可以是增益开关脉冲激光器，其产生的脉冲激光信号在时域上其光强度是一个个分立的脉冲；而不是像连续激光器输出的是一条平稳曲线。施加在脉冲激光器11的工作电流(电压)可以在阈值电流(电压)之上和阈值电流(电压)之下快速切换，当施加在脉冲激光器11上的电流工作在阈值电流之下时，脉冲激光器11内部谐振腔中的光子数量迅速衰减到10^-10量级以下以至接近真空，当施加在脉冲激光器11上的电流迅速增加到阈值电流之上时则输出光脉冲，其中光脉冲所携带的相位来源于真空涨落产生的自发辐射光子，从而使得脉冲激光器输出的脉冲激光信号携带了自发辐射光子的相位涨落。

其中，脉冲激光器11输出的脉冲激光信号可以是周期化脉冲信号，也可以是非周期化脉冲信号，凡是携带了自发辐射光子的相位涨落信息，并且能够发生干涉的脉冲激光信号都在本申请保护范围之内。

在本实施例的一种实现方式中，上述量子随机数发生器可以包括两个脉冲激光器11，分别向干涉仪12输出两路上述的脉冲激光信号，此时干涉仪12可以是一个合束器，在合束器中使两路脉冲激光信号发生干涉。由于这两路脉冲激光信号都各自携带了自发辐射光子的相位涨落，而且两路之间也没有任何相位关联，因此可以通过干涉仪将脉冲激光信号的相位涨落转换为干涉光信号的随机强度涨落，再发送给光电探测器13。在本实现方式中，发生干涉的两路脉冲激光信号之间的光程时间差需要满足预设条件，目的是要使得两路脉冲激光信号的脉冲存在重叠，才能进一步发生干涉。在实际应用中，预设条件可以根据脉冲激光信号脉冲宽度、间隔等因素确定，本申请对此不作具体限定。其中，光程时间差是指两路脉冲激光信号，分别从各自的脉冲激光器11传播至干涉发生点所需要的时间差。

在本实施例的另一种实现方式中，上述量子随机数发生器可以包括一个脉冲激光器11，向干涉仪12发射一路脉冲激光信号，这时干涉仪12可以是不等臂干涉仪，由不等臂干涉仪首先将接收到的脉冲激光信号分成两束脉冲激光信号，再使这两束脉冲激光信号之间发生干涉，将得到干涉光信号发送至光电探测器13。在这一实现方式中，发生干涉的两路脉冲激光信号之间的光程时间差同样需要满足预设条件，目的是要使两路脉冲激光信号上的不同脉冲之间发生干涉，从而避免发生干涉的两路脉冲激光信号的相位之间存在关联。在实际应用中，这里预设条件可以根据脉冲激光信号脉冲宽度、间隔等因素确定，本申请对此不作具体限定。其中，光程时间差是指发生干涉的两路脉冲激光信号，分别从两束脉冲激光信号的分束位置传播至干涉发生点所需要的时间差。这一实施例的详细介绍可以参照后续实施例。

具体的，光电探测器13用于将干涉光信号的强度涨落转换成模拟电信号的变化，即可以将光强信号转换成对应的电压信号；在实际应用中，光电探测器13的带宽可以为1GHz；响应的波长范围是850nm-1650nm。

模数转换器14，用于将连续变化的模拟电信号转换成离散化的数字信号，即输出原始数据串；在实际应用中，模数转换器14的采样率可以工作到1Gsp/s，位宽为8位。

数据后处理子模块15，用于对模数转换器发送的原始数据串进行处理而得到量子随机数序列。

在实际应用中，数据后处理方法可以选择有限冲击响应滤波器，利用一个函数对原始数据进行加权处理，即其中M≥1是一个整数，a_i是过滤系数，y(n)为数据后处理后得到的随机数系列，x[n]为原始数据序列。我们可以简单快速地选择a_i＝M！/i！(M-i)！或a_i＝(-1)ⁱM！/i！(M-i)！。在实际应用中，M≥3就可以满足。

另外，数据后处理方法还可以选择最小熵提取来均匀随机数据串，对于给定的随机变量X，其分布满足P[X＝x_i]，最小熵H_∞(X)＝-log₂(maxP[X＝x_i]),量化了可提取的随机性，对于序列{X₁,……X_N}，一个均匀的随机序列长度NH_∞可以被提取。二类普适哈希函数即Toeplitz矩阵被公认为是一个很好的随机提取工具。利用矩阵为n×m的Toeplitz矩阵作用n比特的原始数据上得到m比特的最终数据，其中满足m≤nH_∞。

为了验证量子随机数的质量，可以利用衡量随机数质量的NIST标准、国标、Alphabit和Diehard等标准对其进行检测。实际测试结果表明，利用两种数据后处理方法分别得到的量子随机数都具有很好的随机性。

本实施例提供了一种量子随机数发生器，该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。

在实际应用中，上述脉冲激光信号的波长可以位于C波段，也就是在1530～1565nm的范围内。脉冲激光信号的线宽可以小于8pm，对应频率大约在GHz以下。脉冲激光器11可以为半导体激光器。为了使干涉光信号不受偏振扰动的影响，脉冲激光器11输出的脉冲激光信号可以通过保偏光纤输出到干涉仪12中。

在本申请的另一实施例中，为了使量子随机数的输出更加稳定可控，在上述实施例的基础上，脉冲激光信号可以为周期脉冲信号，在一种实现方式中，施加在脉冲激光器11上的工作电压可以由周期变化的交流电压叠加直流电压获得，该直流电压小于脉冲激光器11的阈值电压。

施加在脉冲激光器11上的工作电压超过阈值电压则会受激辐射发光，低于阈值电压只有自发辐射不发光。在实际工作过程中，直流电压叠加上交流电压正值部分时超过阈值电压则受激辐射发光，直流电压叠加上交流电压负值部分时小于阈值电压则不发光，从而实现了脉冲激光器产生周期化的脉冲激光信号。其中需要注意的是，脉冲激光信号每个脉冲中的光子即受激辐射光子(很多全同光子)的种子来源于一个自发辐射光子，因此这个脉冲携带了种子源即自发辐射光子的所有信息。

例如在实际应用中，可以在一个周期变化的交流电压上叠加一个1.1V的直流电压，当交流电压快速地由负值部分切换至正值部分时，由于载流子的快速升高，脉冲激光器11快速地输出光信号，随着一个短暂光强上升沿振荡后，由于在谐振腔中辐射消耗的载流子与电注入近似平衡，其输出光脉冲进入一个稳定状态且光强平缓。由于谐振腔中载流子的稳定平衡导致了其稳定的折射率，从而使输出的脉冲光信号的线宽很窄，其啁啾效应可以忽略。

当脉冲激光信号为周期脉冲信号时，脉冲激光信号的脉冲宽度与周期宽度的比值可以大于或等于1/4，且小于或等于1/2。假设脉冲激光信号的周期宽度为T，则脉冲宽度可以在0.25T至0.5T之间，也就是脉冲激光信号的占空比可以在25％至50％范围内。

上述各实施例的一种实现方式中，干涉仪可以是不等臂干涉仪；该不等臂干涉仪，用于将脉冲激光器11输出的脉冲激光信号分束，得到第一脉冲激光信号和第二脉冲激光信号，并使第一脉冲激光信号和第二脉冲激光信号发生干涉，将生成的干涉光信号发送至光电探测器；其中，当脉冲激光信号为周期脉冲信号时，第一脉冲激光信号与第二脉冲激光信号之间的光程时间差是脉冲激光信号的周期宽度的N±0.05倍，其中N≥1。

具体的，这里要求第一脉冲激光信号与第二脉冲激光信号之间的光程时间差是脉冲激光信号的周期宽度的N±0.05倍，其中N≥1；是为了保证第一脉冲激光信号与第二脉冲激光信号的不同脉冲之间进行叠加而发生干涉，也就是使第一脉冲激光信号的第K个脉冲，与第二脉冲激光信号的第K+N个(N≥1)脉冲之间叠加而发生干涉，从而避免发生干涉的两路脉冲激光信号之间存在相位关联。

由于脉冲激光器11输出的脉冲激光信号光谱线宽很窄，啁啾效应可以忽略，所以脉冲激光信号的每个脉冲总是经历相同的相位演化，即在一个脉冲内的相位几乎是相同的，即使出现时间不匹配同样可以实现完全干涉，也就是脉冲重叠的部分可以实现完美的干涉。如前所述，第一脉冲激光信号与第二脉冲激光信号之间的光程时间差可以不必与脉冲激光信号的周期宽度完全匹配，在不等臂干涉仪的实现方式中，第一脉冲激光信号与第二脉冲激光信号之间的光程时间差也就是不等臂干涉仪的两臂光程时间差，在脉冲激光信号周期宽度整数倍基础上允许存在正负5％的差异甚至更大一点都不会影响干涉的效果即随机数的质量。这样，不等臂干涉仪的臂长差可以缩短至芯片大小级别，因此容易实现芯片化的量子随机数发生器，而且不需要对不等臂干涉仪进行相位反馈控制。

目前利用孤立隔震隔温环境制成的不等臂干涉仪的相位漂移在2Π/200s量级，故对于250MHz工作频率***来说，每个脉冲的附加相位变化为10^-10，而目前模数转换率的分辨率一般为14bit(商用8bit)，其分辨率只能到10^-4,到不了10^-10，由于模数转换器的分辨率限制，一个数字比特对应一个范围内的模拟电信号，因此不等臂干涉仪自身的相位漂移不会对实际数据输出产生影响，从而不需要对不等臂干涉仪进行相位反馈稳定。

相对现有技术中，基于连续激光相位涨落的量子随机数发生器，虽然产生速率也可以达到Gbps，但往往需要对其使用的不等臂干涉仪进行相位反馈稳定，这直接制约了在恶劣环境中的使用；而本实施例提供的量子随机数发生器不需要对不等臂干涉仪进行相位反馈控制，从而使其使用范围更广，同时性能更加稳定。

在上述任一实施例中，不等臂干涉仪均可以为非对称马赫增德尔干涉仪asymmetric Mach-Zehnder interferometer或非对称迈克尔逊法拉第干涉仪asymmetricMichelson–Faraday interferometer。

具体的，参照图2，非对称马赫增德尔干涉仪可以包括第一分束器21、第一干涉光路长臂22、第一干涉光路短臂23和第二分束器24。其中，第一分束器21和第二分束器24是3dB分束器，也就是分束比为50:50。第一分束器21、第一干涉光路长臂22、第一干涉光路短臂23和第二分束器24可以是光纤器件，也可以是平面光波导器件，也可以是利用集成光子学技术而集成在芯片上。

为了使干涉光信号不受偏振扰动的影响，第一分束器21、第一干涉光路长臂22、第一干涉光路短臂23和第二分束器24均为保偏光纤器件，因为光在保偏光纤内的传输过程中保持偏振不变。而且第一分束器21、第一干涉光路长臂22、第一干涉光路短臂23和第二分束器24之间也可均是通过保偏光线连接。

具体的，参照图3，非对称迈克尔逊法拉第干涉仪可以包括第三分束器31、第二干涉光路长臂32、第二干涉光路短臂33、第一法拉第反射镜34和第二法拉第反射镜35。其中，第三分束器31是3dB分束器，也就是分束比为50:50。第一分束器21、第一干涉光路长臂22、第一干涉光路短臂23和第二分束器24可以是光纤器件，也可以是平面光波导器件，也可以是利用集成光子学技术而集成在芯片上。

在非对称迈克尔逊法拉第干涉仪中，由于使用了法拉第反射镜，而法拉第反射镜的作用是将入射光反射后在其传播路径上其偏振刚好旋转90度，因此在非对称迈克尔逊法拉第干涉仪中，偏振有自稳定的效果，与光纤无关。为了进一步降低成本，第三分束器31、第二干涉光路长臂32、第二干涉光路短臂33、第一法拉第反射镜34和第二法拉第反射镜35可以为单模光纤器件。而且第三分束器31、第二干涉光路长臂32、第二干涉光路短臂33、第一法拉第反射镜34和第二法拉第反射镜35之间也可以均是通过单模光纤连接。作为一种替换方案，第三分束器31、第二干涉光路长臂32、第二干涉光路短臂33、第一法拉第反射镜34和第二法拉第反射镜35可以部分或者全部都是保偏光纤器件。

在上述各实施例中，脉冲激光器11、干涉仪12、光电探测器13以及信号处理模块16可以由现有光电器件可以使用光纤或波导连接在一个电路板上，也可以利用集成光子学技术而集成在一个芯片上，从而实现量子随机数发生器的芯片化。

在本申请的另一个实施例中，还提供了一种量子随机数生成方法，参照图4，该方法可以包括：

步骤401：通过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。

步骤402：通过干涉仪使两路脉冲激光信号之间发生干涉，并将生成的干涉光信号发送至光电探测器；其中，两路脉冲激光信号之间的光程时间差满足预设条件。

步骤403：通过光电探测器将干涉光信号转换为模拟电信号，并发送至信号处理模块。

步骤404：通过信号处理模块对模拟电信号进行处理，生成量子随机数。

上述实施例的一种实现方式中，上述步骤404还可以进一步包括：

步骤501：通过模数转换器将模拟电信号转换为数字信号。

步骤501：通过数据后处理子模块根据数字信号生成量子随机数。

本实施例中，具体的量子随机数生成过程可以参考前述实施例的描述，这里不再赘述。

本申请提供了一种量子随机数发生器，该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；

进一步地，由于不等臂干涉仪的臂长差可以缩短至芯片大小级别，因此容易实现芯片化的量子随机数发生器；

进一步地，本申请提供的量子随机数发生器不需要对不等臂干涉仪进行相位反馈控制，使其使用范围更广，同时性能更加稳定。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种量子随机数发生器，其特征在于，所述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；

所述脉冲激光器，用于向所述干涉仪输出脉冲激光信号，所述脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；

所述干涉仪，用于使两路脉冲激光信号之间发生干涉，并将生成的干涉光信号发送至所述光电探测器；其中，所述两路脉冲激光信号之间的光程时间差满足预设条件；

所述光电探测器，用于将所述干涉光信号转换为模拟电信号，并发送至所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对所述模拟电信号进行处理，生成量子随机数。

2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述信号处理模块包括：

模数转换器，用于将所述模拟电信号转换为数字信号；

数据后处理子模块，用于根据所述数字信号生成量子随机数。

3.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述脉冲激光器的工作电压是由周期变化的交流电压叠加直流电压获得，所述直流电压小于所述脉冲激光器的阈值电压。

4.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉仪为不等臂干涉仪；所述不等臂干涉仪，用于将所述脉冲激光器输出的脉冲激光信号分束，得到第一脉冲激光信号和第二脉冲激光信号，并使所述第一脉冲激光信号和所述第二脉冲激光信号发生干涉，将生成的干涉光信号发送至所述光电探测器。

5.根据权利要求4所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述不等臂干涉仪为非对称马赫增德尔干涉仪或非对称迈克尔逊法拉第干涉仪。

6.根据权利要求5所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述非对称马赫增德尔干涉仪包括第一分束器、第一干涉光路长臂、第一干涉光路短臂和第二分束器。

7.根据权利要求6所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述第一分束器和所述第二分束器的分束比为50:50。

8.根据权利要求6所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述第一分束器、所述第一干涉光路长臂、所述第一干涉光路短臂、所述第二分束器为保偏光纤器件。

9.根据权利要求5所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述非对称迈克尔逊法拉第干涉仪包括第三分束器、第二干涉光路长臂、第二干涉光路短臂、第一法拉第反射镜和第二法拉第反射镜。

10.根据权利要求9所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述第三分束器的分束比为50:50。

11.根据权利要求9所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述第三分束器、所述第二干涉光路长臂、所述第二干涉光路短臂、所述第一法拉第反射镜、所述第二法拉第反射镜为单模光纤器件。

12.根据权利要求4所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述脉冲激光信号为周期脉冲信号，所述第一脉冲激光信号与所述第二脉冲激光信号之间的光程时间差是所述脉冲激光信号的周期宽度的N±0.05倍，其中N≥1。

13.根据权利要求1至12任一项所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述脉冲激光信号为周期脉冲信号，所述脉冲激光信号的脉冲宽度与周期宽度的比值大于或等于1/4，且小于或等于1/2。

14.根据权利要求1至12任一项所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述脉冲激光信号的波长位于C波段。

15.根据权利要求1至12任一项所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述脉冲激光信号的线宽小于8pm。