可以得到其中量子波動 部分為：
[0087]
[0088] 隨機性是由最小熵來量化的，其定義為：
[0089] H" = -log2P_。其中P_為最有可能出現(xiàn)的結(jié)果的概率。
[0090]量子相位波動是符合高斯分布的，將光電探測器4的輸出電壓均分為N等份，根據(jù) 前述高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差〇quantuni，就可以得到P_，從而計算出最小熵H"。
[0091]這意味著每一次采樣，我們至少可以從中提取H"個隨機數(shù)比特，而每次采樣得到 的原始數(shù)據(jù)為l〇g2N個比特。也就是說，在原始數(shù)據(jù)的每一個比特中，至少有H" /log2N個 隨機數(shù)比特可以提取出來。
[0092]在最終的隨機數(shù)后處理中，采用基于快速傅里葉變換的Toeplitz矩陣算法，矩陣 大小為nXm，即從n比特原始量子隨機數(shù)數(shù)據(jù)可提取出m比特的最終隨機數(shù)，且滿足如下關(guān) 系：m/n<H" 〇
[0093]經(jīng)過上述處理可以得到最終的量子隨機數(shù)，其隨機性來源于量子物理基本原理， 是信息理論可證的。為了進一步驗證隨機數(shù)的質(zhì)量，可以對其進行自相關(guān)測試或者使用標(biāo) 準(zhǔn)的隨機性檢驗程序比如NIST標(biāo)準(zhǔn)測試。測試結(jié)果均表明，最終產(chǎn)生的量子隨機數(shù)具有很 好的隨機性。
[0094]本發(fā)明中的量子隨機數(shù)發(fā)生器，最終比特率為CSH"，其中1為最小熵，由系統(tǒng)參 數(shù)決定，對于一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常為6~7之間，Cs為所用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率，選 取不同采樣率，可以得到不同的比特率。對于一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生最終量子隨機數(shù) 的比特率與米樣率的關(guān)系曲線如圖2所不?？梢钥闯?，在米樣率為10Gsa/s時，該量子隨機 數(shù)發(fā)生器的比特率可以達到50Gbps以上。
[0095]本發(fā)明通過將光子自發(fā)輻射的隨機相位信息，轉(zhuǎn)化成隨機光強信息，再進行高速 采樣得到高速量子隨機數(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，得到原始隨機數(shù)序列。原 始隨機數(shù)再經(jīng)過基于快速傅里葉變換的Toeplitz矩陣處理，得到隨機性能夠被信息理論 證明的最終隨機數(shù)，可以通過NIST等隨機性檢驗。與現(xiàn)有技術(shù)中采用單光子探測方案的量 子隨機數(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)生的量子隨機數(shù)方案能 夠大幅度提高隨機數(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數(shù)比特率能夠達 到50Gbps以上，極大地提高了隨機數(shù)的產(chǎn)生速率。
[0096] 以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于，包括激光光源（I)、雙 光束干涉儀（2)、相位控制系統(tǒng)（3)、光電探測器（4)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（5)，其中， 所述激光光源（1)用于將激光束輸出到所述雙光束干涉儀（2)中， 所述雙光束干涉儀（2)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)（3)，另一束光束輸出到光電探測器 ⑷； 所述相位控制系統(tǒng)（3)包括設(shè)置在所述雙光束干涉儀（2)的其中一個干涉光路上的壓 控移相器（34)，所述相位控制系統(tǒng)（3)用于根據(jù)輸入的光束調(diào)節(jié)所述壓控移相器（34)的電 壓，從而使雙光束干涉儀（2)的兩個干涉光路上的光束的相位差保持在預(yù)定值； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器（5)用于將所述光電探測器（4)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數(shù)序列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在 于，所述雙光束干涉儀（2)還包括分束器（22)、第一反射鏡（24)和第二反射鏡（25)， 所述分束器（22)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 ; 所述分束器（22)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 M輸出，所述分束器（22)還用于使所述第三端口 B3和第四端口 M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 Bl輸出到所述相位控制 系統(tǒng)（3)，另一束光束從所述第二端口 B2輸出到所述光電探測器（4)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征 在于，所述雙光束干涉儀（2)還包括環(huán)形器（21)，所述環(huán)形器（21)的輸入端Cl用于接收激 光光源（1)輸出的激光束； 所述環(huán)形器（21)的收發(fā)復(fù)用端C2用于將輸入端Cl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， 所述環(huán)形器（21)的輸出端C3用于將輸入的光束輸出到所述光電探測器（4)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在 于，所述相位控制系統(tǒng)（3)還包括依次連接的光功率計（31)、PID控制器（32)和壓電控制 器（33)，所述光功率計（31)的輸入端用于接收所述第一端口 Bl輸出的光束，所述壓電控制 器（33)的輸出端與所述壓控移相器（34)的控制端連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在 于，所述第一干涉光路和第二干涉光路的光束的相位差的預(yù)定值為（2m Jr+ Ji/2)，其中m為 整數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征 在于，所述分束器（22)的分光比為50:50,所述分束器（22)為光纖分束器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在 于，所述第一反射鏡（24)和第二反射鏡（25)均為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在 于，所述分束器（22)為保偏分束器（22)，所述光纖為保偏光纖。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，其特征 在于，所述激光光源（1)為連續(xù)激光光源（1)，所述激光光源（1)的工作波長為1550nm。10. 基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 產(chǎn)生激光束； 52、 將激光束分成兩束光束發(fā)生干涉； 53、 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； 54、 將光電探測器輸出的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，生成原始隨機數(shù)序列。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，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，激光光源的輸出的光輻射通過雙光束干涉儀進行干涉，雙光束干涉儀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)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，從而實現(xiàn)激光光源的相位波動與干涉儀的輸出光強一一對應(yīng)，通過光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出隨機數(shù)的原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理得到最終的量子隨機數(shù)。本發(fā)明還公開了一種基于激光相位波動的超高速量子隨機數(shù)發(fā)生方法，本發(fā)明能夠大幅度提高隨機數(shù)產(chǎn)生速率。
【IPC分類】G06F7/58
【公開號】CN105022606
【申請?zhí)枴緾N201510381961
【發(fā)明人】張軍, 聶友奇, 潘建偉
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年6月30日