專利名稱：：隨機數(shù)生成方法和隨機數(shù)生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一個用于生成隨機數(shù)的方法和一個隨機數(shù)生成器，該生成器可用于信息工業(yè)領(lǐng)域比如說密碼裝置，特別可用于量子計算機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：完全無序且具有相同出現(xiàn)頻率的隨機數(shù)可廣泛用于對社會現(xiàn)象、物理現(xiàn)象等等的數(shù)值模擬。隨機數(shù)在密碼裝置中同樣起重要作用，并且在信息安全領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)研究并開發(fā)了多種隨機數(shù)生成方法，但是幾乎都只能通過軟件算法生成偽隨機數(shù)。到目前為止，隨機數(shù)的算法生成方法被廣泛應(yīng)用于一定的可靠性級別以及隨機數(shù)的高速生成中。然而通常情況下，由于計算機只能生成一定范圍的信息，由計算機生成的隨機數(shù)具有一個特定的周期。因此，在數(shù)值模擬中無法得到精確解，而在信息安全中也無法實現(xiàn)足夠的安全度。有鑒于此，就需要更加完全無序的隨機數(shù)。近來，隨著硬件的處理速度和可靠性的發(fā)展，一種物理生成隨機數(shù)的方法被開發(fā)出來。舉例來說，大家知道生成于像熱電噪聲、放射性衰變這樣的物理現(xiàn)象的隨機數(shù)具有符合理想情況的低確定性。然而，所述物理生成方法需要大型裝置以用來生成隨機數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提出一個用簡單且不昂貴的裝置生成更加完全無序的隨機數(shù)的新方法，以及一個應(yīng)用于所述隨機數(shù)生成方法的隨機數(shù)生成器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及一個用于生成隨機數(shù)的方法，包括以下步驟準(zhǔn)備一個包括第一晶體管和第二晶體管的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路(bistablemultivibratorcircuit)，給所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路加一個驅(qū)動電壓以隨機接通和切斷第一晶體管和第二晶體管中的一個，給所述第一晶體管和第二晶體管中之一的接通狀態(tài)和切斷狀態(tài)指定數(shù)字“0”和“1”，從而生成一個二進制隨機數(shù)。本發(fā)明還涉及一個包括一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的隨機數(shù)生成器。一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路包括兩個正反饋連接的晶體管，而不考慮電路的使用情況如每部分電路或者一個集成電路。在所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中，當(dāng)一個驅(qū)動電壓被加到電路上，兩個晶體管中的一個立刻導(dǎo)通電流，而另一個立刻切斷電流。當(dāng)兩個晶體管由特征值相同的晶體管構(gòu)成而其他組件由特征值對稱的組件構(gòu)成時，所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路就因此變得符合理想情況，使得當(dāng)通過加一個驅(qū)動電壓接通該雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路時就難以預(yù)測哪一個晶體管會導(dǎo)通電流。這樣，晶體管的開關(guān)選擇就決定于雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲。根據(jù)這一觀點，如果兩個晶體管中的一個被檢測出導(dǎo)電，并且比如說數(shù)字“0”被指定表示晶體管的不導(dǎo)電狀態(tài)而數(shù)字“1”被指定表示晶體管的導(dǎo)電狀態(tài)，那么由于晶體管基于所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲被隨機開關(guān)，從而就能生成一個二進制隨機數(shù)。晶體管導(dǎo)電可以通過測量其中的集電極電壓而很容易的檢測出來。如果無法構(gòu)造理想的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，那么所選定的一個晶體管就無法基于雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲被隨機接通/切斷，這樣，該晶體管就可能依統(tǒng)計規(guī)律被接通/切斷。因此，上述二進制隨機數(shù)就無法生成。這樣，就需要調(diào)節(jié)所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中組件的特征值以使得所選定的晶體管基于該雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲隨機導(dǎo)電，特別是在一段預(yù)定時間內(nèi)調(diào)節(jié)該組件。從而數(shù)字“0”或“1”的出現(xiàn)概率就可成為0.5，這樣，就可生成二進制隨機數(shù)。為了更好的理解本發(fā)明須參照附圖，其中圖1是一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的電路圖，該振蕩電路依照本發(fā)明包括一個隨機數(shù)生成器，圖2是一個供電控制電路的電路圖，該控制電路用于產(chǎn)生一個加在所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路上的驅(qū)動電壓，圖3是一個緩沖電路的電路圖，該緩沖電路用于測量并輸出所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的一個晶體管的集電極電壓，圖4是一個隨機數(shù)的二進制頻率分布圖，該隨機數(shù)依照本發(fā)明由一個隨機數(shù)生成器和隨機數(shù)生成方法生成，以及圖5是另一個隨機數(shù)的二進制頻率分布圖，該隨機數(shù)由本發(fā)明的隨機數(shù)生成器和隨機數(shù)生成方法生成。具體實施例方式下面參照附圖詳細描述本發(fā)明。圖1是一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的電路圖，該振蕩電路依照本發(fā)明包括一個隨機數(shù)生成器。圖1中所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路由作為基本電路部件的晶體管T1、T2，集電極電阻R1、R2，反饋電阻R3、R4，偏置電阻R7、R8、R9、R11，以及作為補充電路部件的電容C1、C2，電阻R5、R6和用于波形成形的二極管D1-D4所構(gòu)成。為了實現(xiàn)所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，晶體管T1和T2由特征值相同的晶體管構(gòu)成。集電極R1和R2被設(shè)置為相同的電阻值，反饋電阻R3和R4也被設(shè)置為相同的電阻值。同樣的，電容C1和C2也被設(shè)置為相同的電容值。在這里，并不總需要把電阻R5和R6的電阻值以及二極管D1-D4的特征值分別設(shè)置為相同值。然而通常情況下，最好把像電阻和二極管這樣的補充電路部件的特征值設(shè)置為相同值。當(dāng)把一個給定驅(qū)動電壓從輸入端加到所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路上時，晶體管T1和T2中的一個被導(dǎo)通電流而另一個被切斷電流。這樣，如果晶體管T1、T2的特征值，集電極電阻R1、R2的電阻值，反饋電阻R3、R4的電阻值，電容C1、C2的電容值以及偏置電阻R8、R9、R11的電阻值都分別相同，那么晶體管T1和T2的導(dǎo)電狀態(tài)就無法預(yù)測，而這樣一來，其導(dǎo)電狀態(tài)就決定于所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲。舉例來說，數(shù)字“0”被指定表示晶體管T1經(jīng)開關(guān)操作(打開)的導(dǎo)電狀態(tài)，而數(shù)字“1”被指定表示晶體管T1經(jīng)開關(guān)操作(關(guān)閉)的不導(dǎo)電狀態(tài)。由于晶體管T1的導(dǎo)電狀態(tài)或不導(dǎo)電狀態(tài)決定于所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲，所以數(shù)字“0”和“1”就可被隨機生成，這樣就可以生成一個特定的二進制隨機數(shù)。晶體管T1的導(dǎo)電狀態(tài)和不導(dǎo)電狀態(tài)可以通過在輸出端測量其集電極電壓而很容易的檢測出來。然而通常情況下，除非晶體管T1和T2的特征值被設(shè)置成相同值否則所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路難以實現(xiàn)，這就使得晶體管T1和T2可能會依統(tǒng)計規(guī)律處于導(dǎo)電狀態(tài)或者不導(dǎo)電狀態(tài)。因此，晶體管T1處于導(dǎo)電狀態(tài)或不導(dǎo)電狀態(tài)的概率就會統(tǒng)計地大于其處于不導(dǎo)電狀態(tài)或?qū)щ姞顟B(tài)的概率，這就使得數(shù)字“0”或“1”的出現(xiàn)概率就會大于數(shù)字“1”或“0”的出現(xiàn)概率。結(jié)果，就無法生成一個二進制隨機數(shù)。這樣，所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的電路部件就在一段預(yù)定時間內(nèi)被調(diào)節(jié)以使得數(shù)字“0”和“1”的出現(xiàn)概率相等(出現(xiàn)概率＝0.5)。因此，由于晶體管T1的導(dǎo)電狀態(tài)及不導(dǎo)電狀態(tài)能基于雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的噪聲被隨機設(shè)置，那么數(shù)字“0”和“1”的出現(xiàn)概率就可被設(shè)置為0.5，從而生成一個特定的二進制隨機數(shù)。在本實施方式中，可以調(diào)節(jié)作為可變電阻的偏置電阻R11的阻值以使數(shù)字“0”和“1”具有相同的出現(xiàn)概率0.5。偏置電阻R11在平衡條件下可以和電阻R8串聯(lián)。圖2是一個供電控制電路的電路圖，該控制電路用于產(chǎn)生一個加在圖1所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路上的驅(qū)動電壓。在圖2所描述的供電控制電路中，其輸出端連接到圖1中所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的輸入端。在圖2所描述的供電控制電路中，一個給定的偏置電流被導(dǎo)入該電路，而一個給定的矩形波通過電容C3和C4同樣被導(dǎo)入該電路。然后，晶體管T3就被接通以在集電極產(chǎn)生并輸出一個用于所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的驅(qū)動電壓?？梢允褂靡粋€單個的無極電容來代替電容C3和C4。圖3是一個緩沖電路的電路圖，該緩沖電路用于測量并輸出圖1中所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的晶體管T1的集電極電壓。在圖3所描述的緩沖電路中，其輸入端連接到位于圖1所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的晶體管T1的集電極處的輸出端。在該緩沖電路輸出端處所測得的給定集電極電壓被提供來用于計算。在圖3所描述的緩沖電路的使用過程中，可以很容易的測得晶體管T1的集電極電壓而不影響圖1中所描述的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。因此，就可以很容易并穩(wěn)定地生成二進制隨機數(shù)。圖4和圖5是通過使用由圖1-3所描述的電路組件所構(gòu)成的隨機數(shù)生成器而生成的隨機數(shù)的二機制頻率分布圖。圖4示出了5000個隨機數(shù)樣本而圖5示出了10000個隨機數(shù)樣本。在圖4和圖5中沒出現(xiàn)成片的圖案，而只出現(xiàn)了點狀的樣本，這顯示了一個二進制隨機數(shù)的生成。雖然參照上面的實例對本發(fā)明作了詳細的描述，但本發(fā)明并不限于上述公開，并且在不違背本發(fā)明意圖的情況下可以作各種變動和修改。舉例來說，在圖1所描述的電路圖中，如果把電容C11(0.001微法)、C12(0.1微法)和C13(1微法)并聯(lián)在輸入端和接地之間的線路上，所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的操作就會更加穩(wěn)定。在上面的實施方式中，雖然使用并且開/關(guān)驅(qū)動的是晶體管T2，但也可以使用并且驅(qū)動晶體管T2。同樣的，數(shù)字“0”可以被指定表示晶體管T1的不導(dǎo)電狀態(tài)，而數(shù)字“1”可以被指定表示晶體管T1的導(dǎo)電狀態(tài)。此外，在上述實施方式中，雖然用于平衡晶體管T1和T2的偏置可變電阻R11和電阻R9串聯(lián)，但它也可以和R9并聯(lián)。另外，另一個可變電阻可以代替電阻R11和所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的一個電阻串聯(lián)或并聯(lián)在一起。如上所述，依照本發(fā)明，能夠提出一個用簡單且不昂貴的裝置生成更加完全無序的隨機數(shù)的新方法以及一個應(yīng)用于所述隨機數(shù)生成方法的隨機數(shù)生成器。權(quán)利要求1.一個用于生成隨機數(shù)的方法，包括以下步驟準(zhǔn)備一個包括第一晶體管和第二晶體管的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，給所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路加一個驅(qū)動電壓以隨機接通和切斷所述第一晶體管和所述第二晶體管中的一個，給所述第一晶體管和所述第二晶體管中之一的接通狀態(tài)和切斷狀態(tài)指定數(shù)字“0”和“1”，從而生成一個二進制隨機數(shù)。2.如權(quán)利要求1中的生成方法，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管中之一的所述接通狀態(tài)和所述切斷狀態(tài)通過測量其集電極電壓來測得。3.如權(quán)利要求1中的生成方法，其中“0”和“1”的出現(xiàn)概率通過調(diào)節(jié)所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的一個電路元件的特征值來控制。4.如權(quán)利要求3中的生成方法，其中所述出現(xiàn)概率值被設(shè)置為0.5。5.如權(quán)利要求1中的生成方法，其中所述電路元件是一個偏置可變電阻。6.一個隨機數(shù)生成器，包括一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。7.如權(quán)利要求6中所規(guī)定的隨機數(shù)生成器，其中所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路包括一個偏置可變電阻。8.如權(quán)利要求6中所規(guī)定的隨機數(shù)生成器，還包括一個連接到所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的供電控制電路，該控制電路為所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路產(chǎn)生一個驅(qū)動電壓。9.如權(quán)利要求6中所規(guī)定的隨機數(shù)生成器，還包括一個連接到所述第一晶體管和所述第二晶體管之一的緩沖電路，該緩沖電路檢測該晶體管集電極電壓。全文摘要給一個待驅(qū)動的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路的輸入端加一個給定的驅(qū)動電壓。這樣，所述雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路中的一個晶體管就基于該電路中的噪聲被隨機接通和切斷。當(dāng)數(shù)字“0”和“1”被指定表示該晶體管的導(dǎo)電狀態(tài)(接通狀態(tài))和不導(dǎo)電狀態(tài)(切斷狀態(tài))，就產(chǎn)生一個二進制隨機數(shù)。文檔編號H03K3/00GK1497429SQ0315948公開日2004年5月19日申請日期2003年9月27日優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日發(fā)明者齊藤義明申請人:新潟大學(xué),新大學(xué)