基于激光相位波動的超高速量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和發(fā)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超高速的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)，具體涉及基于激光相位波動的超高速 量子隨機(jī)數(shù)發(fā)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機(jī)數(shù)是一種廣泛使用的基礎(chǔ)資源，而隨機(jī)數(shù)發(fā)生器就是用來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列的 一種器件。性能良好的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在眾多領(lǐng)域比如量子通信、密碼學(xué)、博彩業(yè)、蒙特卡洛 模擬、數(shù)值計(jì)算、隨機(jī)抽樣等都有著廣泛而重要的應(yīng)用。
[0003] 根據(jù)隨機(jī)數(shù)的特性，隨機(jī)數(shù)可以分為兩類：偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)。偽隨機(jī)數(shù)通常由 基于某特定初值的算法產(chǎn)生，對于確定的算法和對算法賦予的初值，其隨機(jī)數(shù)序列是確定 的，所以本質(zhì)上并非真正的隨機(jī)數(shù)序列。因此無法用于某些對于安全性要求較高的領(lǐng)域。
[0004] 真隨機(jī)數(shù)通常具有以下三個特征：不可預(yù)測性、不可重復(fù)性、無偏性。真隨機(jī)數(shù)發(fā) 生器通常需要基于真實(shí)的具有自然隨機(jī)性的物理系統(tǒng)，而物理系統(tǒng)又可以分為經(jīng)典的與量 子的?；诹孔游锢硐到y(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其隨機(jī)性來源清晰、客觀、安全，特別適合對 于隨機(jī)性要求較高的應(yīng)用場景，是近年來的發(fā)展方向。
[0005] 現(xiàn)有的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案中，基于單光子路徑選擇的方案，其比特率達(dá)為 1Mbps量級，而基于光子到達(dá)時間的方案，其比特率達(dá)到了 100Mbps量級。對于下一代高速 量子通信系統(tǒng)，需要的隨機(jī)數(shù)達(dá)到lOGbps以上，這就需要新的技術(shù)方案來滿足對比特率的 需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的首要目的在于提供一種基于激光相位波動的超高速量子隨機(jī)數(shù)發(fā)器，包 括激光光源、雙光束干涉儀、相位控制系統(tǒng)、光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，
[0007] 所述激光光源用于將激光束輸出到所述雙光束干涉儀中，
[0008] 所述雙光束干涉儀用于使輸入的激光束發(fā)生雙光束干涉，并將發(fā)生干涉的光束分 成兩束光束輸出，其中一束光束輸出到相位控制系統(tǒng)，另一束光束輸出到光電探測器；
[0009] 所述相位控制系統(tǒng)包括設(shè)置在所述雙光束干涉儀的其中一個干涉光路上的壓控 移相器，所述相位控制系統(tǒng)用于根據(jù)輸入的光束調(diào)節(jié)所述壓控移相器的電壓，從而使雙光 束干涉儀的兩個干涉光路上的光束的相位差保持在預(yù)定值；
[0010] 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述光電探測器輸出的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)所述數(shù) 字信號生成原始隨機(jī)數(shù)序列。
[0011] 進(jìn)一步地，所述雙光束干涉儀還包括分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，
[0012] 所述分束器包括設(shè)置在輸入側(cè)的第一端口B1、第二端口B2和設(shè)置在輸出側(cè)的第 三端口B3、第四端口B4 ;
[0013] 所述分束器用于將輸入到所述第二端口B2的光束分成兩束，分別從所述第三端 口B3和第四端口B4輸出，所述分束器還用于使所述第三端口B3和第四端口B4返回的光 束發(fā)生干涉后分成兩束光束，其中一束光束從所述第一端口B1輸出到所述相位控制系統(tǒng)， 另一束光束從所述第二端口B2輸出到所述光電探測器。
[0014] 進(jìn)一步地，所述雙光束干涉儀還包括環(huán)形器，所述環(huán)形器的輸入端C1用于接收激 光光源輸出的激光束；
[0015] 所述環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端C2用于將輸入端C1接收的激光束輸出到所述第二端口 B2,所述環(huán)形器21的收發(fā)復(fù)用端C2還用于將從所述第二端口B2輸出的光束輸出到環(huán)形器 21的輸出端C3，
[0016] 所述環(huán)形器的輸出端C3用于將輸入的光束輸出到所述光電探測器。
[0017] 進(jìn)一步地，所述相位控制系統(tǒng)還包括依次連接的光功率計(jì)、PID控制器和壓電控制 器，所述光功率計(jì)的輸入端用于接收所述第一端口B1輸出的光束，所述壓電控制器的輸出 端與所述壓控移相器的控制端連接。
[0018] 優(yōu)選地，所述環(huán)形器的輸入端C1與激光光源的輸出端采用光纖耦接，所述環(huán)形器 的收發(fā)復(fù)用端C2與所述第二端口B2采用光纖耦接，所述環(huán)形器的輸出端C3與所述光電探 測器的輸入端采用光纖耦接；
[0019] 所述第一端口B1與所述相位控制系統(tǒng)的輸入端采用光纖耦接。
[0020] 所述第四端口B4、壓控移相器和第一反射鏡形成所述第一干涉光路，所述第三端 口B3和第一反射鏡形成所述第二干涉光路；
[0021] 所述環(huán)形器的輸入端C1與激光光源的輸出端連接，所述環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端C2 與所述第二端口B2連接，所述環(huán)形器的輸出端C3與所述光電探測器的輸入端連接；
[0022] 所述第一端口B1與所述相位控制系統(tǒng)的輸入端采用光纖耦接。
[0023] 進(jìn)一步地，，所述光功率計(jì)的輸入端與所述第一端口B1連接。
[0024] 優(yōu)選地，所述分束器的分光比為50:50。
[0025] 進(jìn)一步地，所述第一干涉光路和第二干涉光路的相位差的預(yù)定值為（2mJr+JT/2)， 其中m為整數(shù)。
[0026] 優(yōu)選地，所述激光光源為連續(xù)激光光源。
[0027] 優(yōu)選地，所述雙光束干涉儀的各組件之間均為光纖連接。
[0028] 優(yōu)選地，所述第一反射鏡和第二反射鏡均為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。
[0029] 可替換地，所述分束器為保偏分束器，所述光纖為保偏光纖。
[0030] 優(yōu)選地，所述激光光源的工作波長為1550nm，激光光源為激光二極管。
[0031] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種基于激光相位波動的超高速量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法， 包括以下步驟：
[0032]S1、產(chǎn)生激光束；
[0033]S2、將激光束分成兩束光束發(fā)生干涉；
[0034]S3、將干涉后的光束分成兩束光束，其中一束光束輸出到相位控制系統(tǒng)，相位控制 系統(tǒng)根據(jù)輸入的干涉光束調(diào)節(jié)其中一個干涉光路上的光束的相位，使兩個干涉光路上的光 束的相位差保持在預(yù)定值；另一束光束輸出到光電探測器；
[0035]S4、將光電探測器輸出的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，生成原始隨機(jī)數(shù)序列。
[0036] 本發(fā)明包括激光光源、雙光束干涉儀、相位控制系統(tǒng)、光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 激光光源的輸出的光輻射通過雙光束干涉儀進(jìn)行干涉，雙光束干涉儀的兩個干涉光路之間 具有預(yù)定的接入臂長差，在其中一個干涉光路上設(shè)置有壓控移相器，相位控制系統(tǒng)通過調(diào) 節(jié)所述壓控移相器來保證兩個干涉光路的相位差保持在預(yù)定值，從而實(shí)現(xiàn)激光光源的相位 波動與干涉儀的輸出光強(qiáng)一一對應(yīng)，通過光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出隨機(jī)數(shù)的原始數(shù) 據(jù)，所述原始數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理得到最終的量子隨機(jī)數(shù)。
[0037] 本發(fā)明通過將光子自發(fā)輻射的隨機(jī)相位信息，轉(zhuǎn)化成隨機(jī)光強(qiáng)信息，再進(jìn)行高速 采樣得到高速量子隨機(jī)數(shù)序列。激光光源發(fā)出均勻的連續(xù)激光，經(jīng)過干涉儀將相位波動轉(zhuǎn) 換成光強(qiáng)變化，再由光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信息送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到原始隨機(jī)數(shù)序列。原 始隨機(jī)數(shù)再經(jīng)過基于快速傅里葉變換的Toeplitz矩陣處理，得到隨機(jī)性能夠被信息理論 證明的最終隨機(jī)數(shù)，可以通過NIST等隨機(jī)性檢驗(yàn)。與現(xiàn)有技術(shù)中采用單光子探測方案的量 子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于基于激光相位波動產(chǎn)生的量子隨機(jī)數(shù)方案能 夠大幅度提高隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率。單光子探測方案通常受限于單光子探測器的計(jì)數(shù)率，使得 該方案的比特率難以突破百兆量級。本發(fā)明中的技術(shù)方案最終生成的隨機(jī)數(shù)比特率能夠達(dá) 到50Gbps以上，極大地提高了隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生速率。
【附圖說明】
[0038] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將對實(shí)施 例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅 僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。
[0039]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光相位波動的超高速量