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申请/专利权人：华中科技大学;武汉船舶通信研究所(中国船舶重工集团公司第七二二研究所)

摘要：本发明公开了一种量子随机数发生器。其中，光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口2经光延时部件1、光开关部件2与光合束部件的输入端口2连接；光分束部件的输出端口3经光延时部件2、光开关部件3与光合束部件的输入端口3连接；以此类推，光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；光合束部件的光信号输出端与光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。通过控制光开关部件的工作时序可分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，可以提高最大采样速率，并保证提取的随机数具有最大可能的熵值。

主权项：1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3；通过光开关对支路的选择性作用，分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，提取不同时间窗口的量子相位信息，从而在突破普通双光束干涉方案理论上的最大采样速率的同时，保证了采样数据服从均匀分布且相邻采样点的相关性最小，进而保证了提取的随机数具有最大可能的熵值。

全文数据：一种量子随机数发生器技术领域本发明涉及随机数发生装置技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器。背景技术随着信息量井喷式的增长，信息安全开始日益受到人们的重视。随机数在信息加密过程中，具有不可替代的作用。而基于光源相位噪声的量子随机数发生器由于其内禀的量子随机特性，可以实现真随机数的产生，从而保证信息传递的绝对安全。基于光源相位噪声的量子随机数发生器QRNG中一般要采用干涉仪结构将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，因此，光源自身的相干性会影响随机数产生器的性能。光源的时间相干性是指：只有延时差在一定范围内的光波才具有相对固定的位相差，从而可以发生稳定的干涉，这一时间范围称为相干时间。从统计学角度上看，可以认为延时差小于相干时间的两束光具有关联性，即彼此不独立。取极限情况，当两束光的延时差等于零时，则其相位完全相同，此时的相关系数为“1”。随着两束光延时差的增加，其相关系数逐渐减小。当延时差远大于相干时间时，则可以认为这两束光是彼此独立的，这时通过干涉提取的幅度噪声分布近似为均匀分布，所产生的随机数具有最大可能的熵值均匀分布的随机数具有最大的无序性。在目前的基于光源相位噪声的QRNG方案中，大多通过提升采样速率即减小采样间隔来实现高速率随机数的产生，而该方法带来的潜在问题是，减小采样间隔实际上相当于等效地减小了参与干涉的两束光的延时差，使得发生干涉的光束之间的相关性增加，这会带来三个方面的不利影响，1减小了转换所得幅度噪声的动态范围，这对后续的量化过程是非常不利的；2提取的数据概率分布变为高斯分布，减小了产生的随机数的熵值；3干涉仪必须增加反馈控制以避免环境因素造成的偏置点的随机漂移。因此，考虑到光源相干时间的上述限制，产生真随机数所要求的最大采样速率受限于光源的相干时间，即：其中，vs，max为最大采样速率；Ts,min为最小采样间隔；τc为光源的相干时间。发明内容本发明通过提供一种量子随机数发生器，实现了最大采样速率不受光源相干时间限制的技术效果。本发明提供了一种量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。进一步地，还包括：模数转换部件；所述模数转换部件的电信号输入端与所述光探测部件的电信号输出端电性连接。进一步地，还包括：发光部件；所述发光部件的光信号输出端与所述光分束部件的光信号输入端连接。进一步地，所述发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。进一步地，所述光延时部件为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器。进一步地，所述光开关部件为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关，开关时间达到纳秒量级。进一步地，所述光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关部件来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关部件处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本发明中参与干涉的两束光的相关性小，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。另一方面，得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本发明相比于现有的有效延时差较小的方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本发明中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的随机性为代价。因此，本发明的最大采样速率不受光源相干时间的限制。附图说明图1是本发明实施例提供的量子随机数发生器的结构示意图。图2是本发明方案与普通双路干涉方案原理的对比示意图。图3是本发明实施例提供的量子随机数发生器中减小相邻采样点数据的相关性的原理示意图。图4是基于本发明实施例提供的量子随机数发生器的三支路干涉结构的光量子随机数发生器的结构示意图。图5是图4的实施例中一个工作周期内各个光开关的控制时序图以及与其对应的干涉时间窗口图。图6是图4的实施例中各个采样点对应的参与干涉的场点以及关键时间参数与光源相干时间、光开关导通时间的关系图。具体实施方式本发明通过提供一种量子随机数发生器，实现了最大采样速率不受光源相干时间限制的技术效果。本发明中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关部件来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关部件处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本发明中参与干涉的两束光的相关性小，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。另一方面，得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本发明相比于现有的有效延时差较小的方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本发明中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的随机性为代价。因此，本发明的最大采样速率不受光源相干时间的限制。为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。参见图1，本发明提供的量子随机数发生器，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；光分束部件有n个输出端口，光合束部件有n个输入端口，光分束部件的输出端口1经光开关部件1与光合束部件的输入端口1连接；光分束部件的输出端口2经光延时部件1、光开关部件2与光合束部件的输入端口2连接；光分束部件的输出端口3经光延时部件2、光开关部件3与光合束部件的输入端口3连接；以此类推，光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；光合束部件的光信号输出端与光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3，如3、4、5、6等。对本发明提供的量子随机数发生器的结构进行具体说明，还包括：模数转换部件；模数转换部件的电信号输入端与光探测部件的电信号输出端电性连接。对本发明提供的量子随机数发生器的结构进行进一步说明，还包括：发光部件；发光部件的光信号输出端与光分束部件的光信号输入端连接。在本实施例中，发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器等，工作于阈值附近且略高于阈值处，且发光部件的工作波长与光电转换部件的响应波长匹配。光延时部件1～n-1为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器等，各个光延时部件可以相同，也可以不同。光开关部件1～n为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关等开关时间可以达到纳秒量级的高速光开关，支路数n可以为3、4、5、……等，对于相同的发光部件相干时间相同，当n增加时，要求光开关的开关时间按∝1nn-1的规律减小。各个光开关部件可以相同，也可以不同。光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管、PIN光电二极管或光电探测器等。光分束部件为实现分束功能的光分束器等。光合束部件为实现合束功能的光合束器等。模数转换部件为AD转换器等。如图1所示，τc是光源的相干时间；ti是光延时器i的延迟时间i＝1,2，…，n-1，n＝3,4,5,…；光分束器是实现n路分束的光耦合器；光合束器是实现n路合束的光耦合器。采用光分束器将来自光源的光等功率地分成n束，分别进入n条支路，每一条支路上引入的延时量都不相同，n条支路中的任意两条支路的延时差均大于光源的相干时间，以保证提取的噪声服从均匀分布。任意一条支路都有一个光开关来实现这条支路的导通和关闭。通过对光开关的控制，可以使得在同一时间只有两个支路上的光开关处于导通状态，从而实现对参与干涉的两路光波的相对延时量的选择。得益于这种选择性，可以分时地实现具有不同延时差的光波之间干涉，从而在不同的时间窗口提取相位噪声。图1所示方案与普通双光束干涉方案的对比可以简单地由图2给出。其中，实线为普通双光束干涉方案的干涉时间窗口，虚线为本发明实施例利用的不同干涉时间窗口。若A、B、C、D、E为连续的五个采样点的时间位置，则在产生真随机数所要求的极限条件下，相邻两点之间的间隔Ts应等于干涉仪的延时差Td，且等于光源的相干时间τc。普通双光束干涉方案只提取到了相邻两个时间点例如A和B，B和C，C和D，D和E的量子相位信息，而不相邻的两个时间点例如A和C，A和D，A和E，B和D，B和E的量子相位信息是提取不到的。本发明实施例通过对光开关的控制，可以在不同时间窗口的选择具有不同延时差的两个支路进行干涉，实现量子相位噪声的分时提取，从而可以突破由公式1决定的理论上的最大采样速率，同时保证通过干涉提取的幅度噪声分布近似为均匀分布。当支路数为n时，只要合理设置各个支路的延时量和开关的导通顺序，可以在理论上实现无限大的采样速率。考虑到n个开关中选其中两个使之处于导通状态，共有nn-12种可能的选择，而任意两条支路的延时差均大于光源的相干时间，则要求：其中，Tk是光开关的导通时间，Δti，j为任意两个支路的相对延时差。这意味着，若采样时间Ts等于光开关的导通时间Tk，实际的采样速率可以是理论最大值的nn-12倍，所以当n趋近无穷大时，也意味着可以实现无穷大的采样速率。这时本发明实施例中采样时间的限制由如下不等式给出：Ts≥Tk≥Tr3其中，Tr是光电转换部件的响应时间。本发明实施例的最大创新是摆脱了普通双光束干涉方案中光源相干时间对采样时间的限制公式1，通过区分不同的时间窗口，光源的相干时间只影响各支路延时差的设置，而并不影响采样时间，而采样时间只受到光开关导通时间的限制。普通双光束干涉方案中采样的样值只取决于时间窗口宽度等于干涉仪两臂延时差两端的干涉结果，本发明实施例之所以允许采样时间小于光源相干时间，正是因为用具有不同延时差的两束光的干涉结果来等间隔地填充原来的相干时间窗口。这种分时段的干涉使得原来不能提取相位噪声的时间窗口内部也可以提取相位噪声。此外，如图3所示，由于每个采样点提取的相位噪声信息取决于时间间隔等于延时差的两个场点的干涉结果，若对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点分别由弧线相连中，前一个场点如A和C之间的时间差TS或者后一个场点如B和D之间的时间差Td大于相干时间，则可在不影响采样时间的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性，从而获得最大熵。本发明实施例选择的是n＝3，即三条支路的情况。三支路分时干涉结构如图4所示。其中，光源为线宽是10MHz的分布反馈DFB半导体激光器，光源的相干时间为τc＝31.84ns；光开关采用高速铌酸锂电光开关；延迟器件为两根长度分别为8.5米和19.5米的标准单模光纤G.652；光分束器是一个1×3的定向耦合器；光合束器是一个3×1的定向耦合器；光电探测器为带宽10GHz的PIN光电探测器。三条支路中任意两条支路的延时差均大于光源的相干时间τc，保证了参与干涉的光波彼此之间相互独立，从而使得干涉结果服从均匀分布，产生随机数具有最大可能熵值。3个光开关同一时刻只有2个是导通状态，从而实现三条光路的交替干涉。通过对开关的控制，可以实现对参与干涉的光路的选择。理论上最大的采样速率将会取决于光开关的切换速度，而不受光源相干时间的制约。图4实施例中的一个时序周期内光开关控制流程是：1k1和k3导通，k2关闭，得到采样点S1；2k1和k2导通，k3关闭，得到采样点S2；3k2和k3导通，k1关闭，得到采样点S3；4S4则是下一个周期的第一个采样点，它对应的光开关状态与S1一样，k1和k2导通，k3关闭；以此类推。图5给出了图4的实施例中一个时序周期内光开关的控制时序图以及与其对应的干涉时间窗口。其中，S1～S3分别对应采样点的时间位置；延迟时间t1τc；t2-t1τc。图6给出了图4的实施例中各个采样点对应的参与干涉的场点，以及关键时间参数与光源相干时间、光开关导通时间的关系。其中，τc为光源的相干时间；延迟时间t1τc；t2-t1τc；Tk为光开关的导通时间；A-L分别对应不同时刻的光场，各条连线连接了由延时差决定的参与干涉的场点；S1～S6分别对应采样点的时间位置。要想在不受光源相干时间影响的前提下，使得产生的数据满足均匀分布并减小相邻采样点的相关性，图6中各个时间参数关系必须满足下面几个不等式：AG：3Tk＞τc5EC：t1-Tk＞τc6CD：t2-t1＞τc7HF：t2-t1-Tk＞τc8DH：t2-t1-2Tk＞τc9IF：t2-t1-2Tk＞τc10DL：4Tk＞τc11同一时刻从三条支路中选两条的方法有三种，这意味着最佳的时序周期是3Tk，从而有不等式5。C、D、E和F四个光场点中，D和F的时间差为Tk，显然小于相干时间，所以必须保证E和C两个光场的时间差要大于相干时间，才能保证采样点S2和S3具有最小的相关性，从而推得6式。同理可推得7-11式。结合5-11式，可以推得该结构中光开关和光延时器的时间参数的约束条件如下：t2＞3τc14由12式可知，若AD转换器是3bit采样，该方案可以实现的最大采样速率为其是普通双光束干涉方案理论最大采样速度的3倍。综上所述，本发明实施例摆脱了普通双光束干涉方案中光源相干时间对采样时间的限制，把这种限制转移到了对支路延时的限制上，如13式和14式所示。需要说明的是，本发明实施例既可以由分立器件直接在自由空间实现，其中的一部分或全部装置也可以由集成光电子器件来代替。【技术效果】将光源的输出光用光分束部件等功率分束为n份，分别进入具有不同延时的支路。每一条支路都有一个光开关来决定这条支路的光场是否参与干涉过程。在同一时刻，n条支路中只有两个光开关处于导通状态，处于导通状态的两条支路在光合束部件中进行耦合干涉，将相位噪声转化为幅度噪声，这种幅度噪声在光探测部件中被转化为电信号，可实现对光源不同时间窗口量子相位噪声的提取。其中，参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，因而本发明实施例中参与干涉的两束光的相关性要小得多，所提取的激光器相位噪声具有均匀分布的特征，由此产生的随机数具有最大可能的熵值。得益于参与干涉的两束光的延时差总是大于光源的相干时间，使得本发明实施例相比于现有的有效延时差较小的普通双光束干涉方案来说，具有不需要进行反馈控制的优点。通过合理设置各个支路的延迟量，可以使得对于两个相邻的采样点，参与干涉的两个场点中，前一个场点之间或者后一个场点之间的时间差大于相干时间，则可在不限制采样间隔的前提下，最大限度地减小相邻采样点数据的相关性。此外，在本发明实施例中，通过直接增加支路数就可以增加随机数的最大产生速率，因而具有易于升级的优点，理论上采样速率可以无限大，且产生速率的提高不会以牺牲随机数的熵值为代价。因此，本发明实施例的最大采样速率不受光源相干时间的限制。若光开关的开关时间足够小，n条支路时，能实现理论最大值的nn-12倍的采样速率。目前已经商用的光开关可以达到1ns的切换速度，则可假定光开关的导通时间为2ns，假设AD转换器是3bit采样，光源的线宽为那么理论上用普通MZI方案能实现的最大采样速度是：而用本发明实施例提供的量子随机数发生器可以实现的最大采样速度是：是理论最大值的16倍。综上所述，本发明实施例通过光开关对支路的选择性作用，分时地让具有不同延时差的光场进行干涉，可以提取不同时间窗口即：分时提取的量子相位信息，从而在突破普通双光束干涉方案理论上的最大采样速率的同时，保证了采样数据服从均匀分布且相邻采样点的相关性最小，进而保证了提取的随机数具有最大可能的熵值。且本方案中不需要对干涉仪的偏置点进行反馈控制，简化了系统设计。本发明实施例提出的方案的最大意义在于，在不影响采样时间的前提下，获得均匀分布的随机数从而获得最大可能的熵值，并最大程度地减小了相邻采样点的相关性，从而实现了对普通双光束干涉方案理论最大采样速率的突破，且本方案还具有升级办法简单直接增加支路数，产生速率提升空间巨大理论上采样速率可以无限大等优点。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作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发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

权利要求：1.一种量子随机数发生器，其特征在于，包括：光分束部件、光延时部件1～n-1、光开关部件1～n、光合束部件和光探测部件；所述光分束部件有n个输出端口，所述光合束部件有n个输入端口，所述光分束部件的输出端口1经所述光开关部件1与所述光合束部件的输入端口1连接；所述光分束部件的输出端口2经所述光延时部件1、所述光开关部件2与所述光合束部件的输入端口2连接；所述光分束部件的输出端口3经所述光延时部件2、所述光开关部件3与所述光合束部件的输入端口3连接；以此类推，所述光合束部件的任意两束输入光的延时差大于光源的相干时间；所述光合束部件的光信号输出端与所述光探测部件的光信号输入端连接；其中，n≥3。2.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，还包括：模数转换部件；所述模数转换部件的电信号输入端与所述光探测部件的电信号输出端电性连接。3.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，还包括：发光部件；所述发光部件的光信号输出端与所述光分束部件的光信号输入端连接。4.如权利要求3所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述发光部件为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。5.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光延时部件为光纤延时器、波导延时器或自由空间延时器。6.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光开关部件为电光型光开关、磁光型光开关或半导体光放大器光开关，开关时间达到纳秒量级。7.如权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述光探测部件为光电倍增管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

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