本實(shí)用新型涉及量子通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光相位漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

背景技術(shù)：

隨機(jī)數(shù)是滿足一定的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，并且不具有任何固定的或是明顯的模式的數(shù)字或符號(hào)的序列。隨機(jī)數(shù)在科學(xué)和技術(shù)的眾多領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色。例如，統(tǒng)計(jì)抽樣、隨機(jī)算法、密碼學(xué)、信息通信安全等。

根據(jù)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法可以將其分為兩大類：偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)。偽隨機(jī)數(shù)通常利用確定性的計(jì)算機(jī)軟件算法和較短的隨機(jī)種子序列來產(chǎn)生，這種確定性的算法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)列并不是完全隨機(jī)的隨機(jī)數(shù)列，其本質(zhì)上不具有真正的隨機(jī)性。因此，在對安全性有較高需求的應(yīng)用中，偽隨機(jī)數(shù)序列已經(jīng)不能滿足需要。

真隨機(jī)數(shù)序列是由真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的，其一般而言是利用對非確定性的物理現(xiàn)象的測量和采樣來產(chǎn)生的。通常真隨機(jī)數(shù)滿足一下三個(gè)特征：不可重復(fù)性、不可預(yù)測性、無偏性。對于產(chǎn)生非確定性物理現(xiàn)象的物理隨機(jī)源有很多，比如大氣噪聲、電子噪聲、頻率抖動(dòng)、輻射衰變等。然而受限于經(jīng)典物理機(jī)制及現(xiàn)有采樣提取手段，使得隨機(jī)數(shù)序列的成碼率很低，無法適應(yīng)實(shí)際需求。隨著量子技術(shù)的快速發(fā)展，真隨機(jī)數(shù)在物理隨機(jī)源的選擇和采樣測量技術(shù)上有了較大的突破。利用物理隨機(jī)源的量子特性來設(shè)計(jì)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其隨機(jī)性來源安全且成碼率高。因此，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在信息安全領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。

目前有許多量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的方案，例如基于單光子路徑選擇的方案、基于光子到達(dá)時(shí)間的方案、基于激光器相位漲落的方案等。然而現(xiàn)有的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案存在諸多缺點(diǎn)，有的系統(tǒng)復(fù)雜不易控制，有的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率低，有的需要復(fù)雜的相位穩(wěn)定系統(tǒng)不利于集成，有的需大型的儀器設(shè)備成本高。

例如公開號(hào)為CN105022606A的專利文獻(xiàn)公開了一種基于激光相位波動(dòng)的超高速量子隨機(jī)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。該實(shí)用新型能夠大幅度提高隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率，但存在的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的相位控制系統(tǒng)，不利于操控和集成。

文獻(xiàn)5.4Gbps real quantum random number generation with compact structure.arXiv.org,quant-ph,arXiv:1609.02681提出了一種只利用一個(gè)分束器和光纖延時(shí)線來實(shí)現(xiàn)光束干涉的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，此方案也是基于激光相位波動(dòng)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，雖然此方案不需要復(fù)雜的相位控制系統(tǒng)，但所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)成本高不利于集成。

現(xiàn)有的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案中，有些隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生率低，無法滿足高速量子通信系統(tǒng)的需求；有些方案的碼率很高，但需要復(fù)雜的相位穩(wěn)定系統(tǒng)或者溫控系統(tǒng)，不利于集成，并且相應(yīng)的成本較高，制約了其在實(shí)際產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用和推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種基于激光相位漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，采用了多個(gè)分束器與光纖回路組成延時(shí)干涉模塊，可以通過多路數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生高碼率的隨機(jī)數(shù)。

一種基于激光相位漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括激光光源、延時(shí)干涉模塊和探測處理模塊，所述延時(shí)干涉模塊包括：

主分束器，用于接收激光光源的輸出并分束為多路子光束；

依次布置在光纖回路中的至少兩個(gè)子分束器，光纖回路上在相鄰兩子分束器之間設(shè)有光纖延遲線，各子分束器分別接收對應(yīng)的子光束以及光纖回路中上游子分束器輸出的回路光束；子光束和回路光束兩者分別經(jīng)分束后，兩者的第一分束均經(jīng)由光纖回路向下游子分束器發(fā)送，兩者的第二分束相互干涉后發(fā)送至探測處理模塊。

本實(shí)用新型中光纖回路實(shí)際上可以理解為所有子分束器組成的環(huán)形光路。

本實(shí)用新型中，除了主分束器以外，還利用多個(gè)子分束器構(gòu)建光纖回路，每一個(gè)子分束器通過接收來自主分束器的子光束，以及來自光纖回路的回路光束產(chǎn)生干涉，干涉后的光束輸入探測處理模塊，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換以及生成量子隨機(jī)數(shù)。本實(shí)用新型中激光光源以及探測處理模塊部分，也可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

光纖回路中，按照光信號(hào)的傳遞方向，各個(gè)子分束器依次布置，而所述的上游、下游為相對概念，指在光纖回路中兩個(gè)相鄰的子分束器之間，一個(gè)處在上游，另一個(gè)則為下游。

所述激光光源用于產(chǎn)生激光束，并將激光束輸輸出到延時(shí)干涉模塊中。優(yōu)選地，激光光源為連續(xù)激光光源，例如工作波長為1550.12nm，激光光源的波長在小范圍的波動(dòng)對結(jié)果影響不大，不會(huì)改變隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性，因此并沒有嚴(yán)格限制，可選的，所述激光光源為DFB激光器。

延時(shí)干涉模塊中，主分束器輸出端口數(shù)量至少大于等于子分束器個(gè)數(shù)，每個(gè)子分束器對應(yīng)主分束器的一路輸出。

作為優(yōu)選，所述子分束器為2×2保偏分束器，其中：

一個(gè)輸入端接入光纖回路中與上游子分束器連接；

一個(gè)輸出端接入光纖回路中與下游子分束器連接；

另一個(gè)輸入端連接主分束器以接收對應(yīng)的子光束；

另一個(gè)輸出端連接探測處理模塊以發(fā)送干涉后的光束。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，子分束器的分束比為50/50。

由于光纖本身存在一定的衰減，所以分束比允許在一定范圍內(nèi)變動(dòng)而不影響隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性。

在光纖回路中為了使輸入子分束器的兩路光束產(chǎn)生相位差，繼而干涉，在相鄰兩子分束器之間設(shè)有光纖延遲線。

作為優(yōu)選，所有光纖延遲線的長度各不相同。這樣可以保證每個(gè)子分束器的輸出各不相同，提高隨機(jī)數(shù)生成效率。

作為優(yōu)選，所述探測處理模塊包括分別接收對應(yīng)子分束器輸出的多個(gè)SFP模塊，以及采集各SFP模塊輸出的數(shù)字信號(hào)和生成量子隨機(jī)數(shù)的FPGA處理芯片。

本實(shí)用新型中，SFP模塊也可以采用其他具有相應(yīng)功能的模塊代替，如ADC模塊等。

進(jìn)一步，由于本實(shí)用新型中針對每個(gè)子分束器以多路數(shù)據(jù)采集的方式讓隨機(jī)數(shù)生成的碼率成倍的增加，克服了利用SFP模塊替代ADC模塊后隨機(jī)數(shù)碼率過低的難題。

作為優(yōu)選，所述子分束器為2、3或4個(gè)。每個(gè)子分束器均可輸出一路干涉光束，相應(yīng)的匹配一SFP模塊進(jìn)行探測。

作為優(yōu)選，所述SFP模塊包括依次連接的光電探測器、甄別整形放大器和數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器。

所述光電探測器用于探測接收到的干涉光束的瞬時(shí)光強(qiáng)信號(hào)并將瞬時(shí)光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。

甄別整形放大器用于將來自光電探測器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；根據(jù)后續(xù)處理的要求，電壓信號(hào)應(yīng)具有足夠幅度。

數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器用于將來自甄別整形放大器的電壓信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)并輸入FPGA處理芯片。

優(yōu)選地，所述光電探測器為雪崩光電二極管，所述甄別整形放大器為跨阻放大器，所述數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器為限幅放大器。

優(yōu)選地，所述限幅放大器的采樣率為2.5GSa/s。

為了提高集成度，可以將所有SFP模塊的輸出接入同一FPGA處理芯片，F(xiàn)PGA處理芯片根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)生成部分隨機(jī)的二進(jìn)制比特串，然后利用快速傅里葉的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)數(shù)提取得到完全的量子隨機(jī)數(shù)。

本實(shí)用新型采用限幅放大器(集成于SFP模塊中)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與現(xiàn)有技術(shù)中的ADC相比雖然在碼率上有所下降，但是現(xiàn)有SFP模塊可以提高隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的可靠性，并同時(shí)大大降低了其成本。

由于SFP測量一次電壓值時(shí)只會(huì)最終輸出一個(gè)比特的隨機(jī)數(shù)，而不是如ADC那樣生成8個(gè)bit的隨機(jī)數(shù)，因此相同采樣率的情況下，隨機(jī)數(shù)的碼率只有原來的1/8，不到1Gbps。同時(shí)現(xiàn)有的研究表明提升碼率不能簡單的通過提高采樣率，只有當(dāng)光源的相干時(shí)間小于采樣時(shí)間時(shí)，提升采樣率才會(huì)提升最終隨機(jī)數(shù)的碼率。而現(xiàn)有技術(shù)的光源的相干時(shí)間已經(jīng)大于采樣時(shí)間，因此提升SFP采樣率無法最終提升碼率，而過低的碼率無疑會(huì)大大影響技術(shù)方案的實(shí)用價(jià)值。為此，本實(shí)用新型在用SFP替代ADC方案的基礎(chǔ)上，通過多路采集數(shù)據(jù)的方案來提升碼率。

本實(shí)用新型采用多個(gè)分束器與光纖回路組成的延時(shí)干涉模塊，結(jié)構(gòu)簡單，操控容易，更重要的是不需要復(fù)雜的相位穩(wěn)定系統(tǒng)，因此容易集成，產(chǎn)生高碼率的隨機(jī)數(shù)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例2的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實(shí)用新型各實(shí)施例SFP模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為用以說明本實(shí)用新型原理的單個(gè)子分束器模型示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

參照圖1，本實(shí)施例基于激光相位漲落的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括激光光源1、延時(shí)干涉模塊2和探測處理模塊，其中探測處理模塊包括SFP模組3和FPGA處理芯片4。

延時(shí)干涉模塊2包括作為主分束器的分束器21以及兩個(gè)子分束器，分別為分束器22和分束器23，分束器21為1×2的保偏分束器，分束器22和分束器23均為2×2保偏分束器，分束比為50/50。

分束器22和分束器23之間通過光纖連成光纖回路24，分束器22包括輸入端口P1、輸入端口P4、輸出端口P2、輸出端口P3；分束器23包括輸入端口B1、輸入端口B2、輸出端口B3、輸出端口B4。

激光光源1輸出的連續(xù)相干光輸入到分束器21，光束經(jīng)分束器21分束后，生成第一子光束輸入至分束器22的輸入端口P1，第二子光束輸入至分束器23的輸入端口B1。

第一子光束通過分束器22分束后由輸出端口P2和輸出端口P3輸出，第二子光束經(jīng)分束器23分束后由輸出端口B3和輸出端口B4輸出。

由輸出端口P2輸出的光(回路光束)經(jīng)光纖延遲線L1回到下游的分束器23的輸入端口B2；

由輸出端口B4輸出的光(回路光束)經(jīng)光纖延遲線L2回到下游的分束器22輸入端口P4。

在光纖回路24中，分束器22和分束器23互為上、下游。

輸入端口B2的光束經(jīng)分束器23后分為兩束，分別從輸出端口B3和輸出端口B4輸出；

輸入端口P4的光束經(jīng)分束器22后分為兩束，分別從輸出端口P2和輸出端口P3輸出。

在整個(gè)光纖回路內(nèi)存在許多延時(shí)長度不一的光束，這部分復(fù)合光束通過分束器22和分束器23會(huì)有一部分進(jìn)入輸出端口P3，和由輸入端口P1輸入經(jīng)過分束器22直接進(jìn)入輸出端口P3的輸入光束發(fā)生干涉，發(fā)生干涉后的光束經(jīng)光纖輸送至SFP模塊31；同理一部分復(fù)合光束進(jìn)入輸出端口B3，和由輸入端口B1輸入經(jīng)過分束器23直接進(jìn)入輸出端口B3的輸入光束發(fā)生干涉，發(fā)生干涉后的光束經(jīng)光纖輸送至SFP模塊32。

光纖延遲線L1和光纖延遲線L2長度不同，通過調(diào)節(jié)光纖延遲線的長度即可保證兩干涉光束相位差保持在預(yù)定值(該預(yù)定值隨意設(shè)定)，從而實(shí)現(xiàn)激光光源的相位漲落與干涉系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)一一對應(yīng)。

SFP模組3包括至少兩個(gè)SFP模塊，用于探測干涉光束的瞬時(shí)光強(qiáng)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的電流信號(hào)，再由電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

參見圖3，以其中一個(gè)SFP模塊為例，包括依次連接的光電探測器、甄別整形放大器和數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器。本實(shí)施方式中，光電探測器采用雪崩光電二極管(APD)；甄別整形放大器采用跨阻放大器(TIA)；數(shù)字產(chǎn)生器采用限幅放大器(LA)。

具體地，雪崩光電二極管用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；跨阻放大器用于將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐蚍鹊碾妷盒盘?hào)；限幅放大器用于將幅度不同的電壓信號(hào)處理成等幅的1比特?cái)?shù)字信號(hào)。

FPGA處理芯片4用來采集各個(gè)SFP模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)數(shù)字信號(hào)生成部分隨機(jī)的二進(jìn)制比特串，然后利用快速傅里葉的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)數(shù)提取得到完全的量子隨機(jī)數(shù)。

本實(shí)用新型原理如下(參見圖4的單個(gè)子分束器模型)：

激光光源用于產(chǎn)生穩(wěn)定的連續(xù)相干光源，其電場可以表示為：

E₁(t)＝Eexp[iωt+iθ(t)]

分束器輸入端口2輸入的光束的電場可以表示為：

光電探測器的探測電流為：

通過跨阻放大器，將探測器探測到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電壓信號(hào)經(jīng)過限幅放大器處理成等幅的電壓信號(hào)，再將等幅的電壓信號(hào)處理成1比特的數(shù)字信號(hào)。將獲得的多個(gè)數(shù)字信號(hào)穿插排列或者按順序排列方式進(jìn)行多路復(fù)用采集形成二進(jìn)制比特串，即原始的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)。

由于系統(tǒng)中固有的經(jīng)典噪聲的影響，得到的原始序列并不是完全隨機(jī)的，仍然存在較弱的關(guān)聯(lián)，這一點(diǎn)可以通過自相關(guān)函數(shù)來驗(yàn)證。

其中，R(j)為自相關(guān)函數(shù)，X₁，X_j為原始序列。

因此需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)處理。首先要進(jìn)行最小熵的分析。

將采集的原始二進(jìn)制比特串分組，每組2n個(gè)比特為一個(gè)樣本。同時(shí)對于每個(gè)樣本中的比特串又可以如下劃分為n個(gè)比特串，標(biāo)記為X₁,X₂,…,X_n，其中X_j＝X[j,n+j],j＝1,2,…,n，表示n位的隨機(jī)比特串。根據(jù)Santa-Vazirani類型弱關(guān)聯(lián)隨機(jī)源的特性：

δ≤P_i＝P(X_i＝x_i|X_i-1＝x_i-1,…,X₁＝x₁)≤1-δ

其中，P_i為條件概率，δ為固定的參數(shù)。

利用上式計(jì)算δ的值，即可通過下述公式得到樣本序列的最小熵：

H_min(X₁…X_n)＝-log₂((1-δ)ⁿ)

另一種計(jì)算最小熵的方法為：直接計(jì)算每個(gè)樣本中不同X序列的最大聯(lián)合概率。其計(jì)算公式為：

H_min(X₁…X_n)＝-log₂(max(P(X_n…X₁)))

最小熵就表明了從每n個(gè)原始比特串中可以提取的真隨機(jī)比特?cái)?shù)。

最終利用快速傅里葉變換的特普利茨-哈希(Toeplitz-Hash)函數(shù)處理原始比特串，即從n位的原始比特串中提取出m比特的最終隨機(jī)比特串，并且滿足條件關(guān)系：m/n≤H_min。經(jīng)過以上的數(shù)據(jù)后處理過程得到的隨機(jī)性能夠被信息理論證明的最終隨機(jī)數(shù)。

利用本實(shí)施例量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)施的量子隨機(jī)數(shù)生成方法，包括以下步驟：

S1、激光光源產(chǎn)生激光束；

S2、將激光束輸入至延時(shí)干涉模塊，使光束產(chǎn)生延時(shí)，并發(fā)生干涉；

S3、將干涉后的光束輸出至探測處理模塊，使光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；通過對電信號(hào)進(jìn)行放大整形后，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

S4、根據(jù)數(shù)字信號(hào)生成部分隨機(jī)的二進(jìn)制比特串，并進(jìn)行隨機(jī)數(shù)提取得到完全的量子隨機(jī)數(shù)。

為了證明最終生成隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性，本實(shí)施例對生成數(shù)據(jù)做了NIST，TESTU01等測試，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生成的隨機(jī)數(shù)能通過所有上述測試。

表1給出NIST測試中各個(gè)項(xiàng)目測試得到的P值。測試數(shù)據(jù)為3G大小的比特串,將比特串等分為500組，每組為一個(gè)樣本且每個(gè)樣本包含約6M比特串。為了通過測試，P值必須大于最低的有效水平α＝0.01以及滿足P＞α的序列比例必須大于0.976。

表1

表2為TESTU01測試，測試數(shù)據(jù)為3G大小比特串，當(dāng)P值大小趨向0或者1時(shí)，測試失敗。上述兩種測試中，對于測試的多個(gè)P值，選取最接近邊界(最糟糕)的那個(gè)值。

表2

實(shí)施例2

參見圖2，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是采用3個(gè)子分束器，主分束器分出的三路子光速分別進(jìn)入各個(gè)子分束器，整體延時(shí)干涉模塊有三路干涉后的光束輸出，相應(yīng)的匹配有三個(gè)SFP模塊，其工作過程和原理與實(shí)施例1同理。

本實(shí)用新型通過將激光光源輸出的激光束的隨機(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)過干涉系統(tǒng)將相位漲落轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化，再由光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信息輸入至限幅放大器，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特普利茨(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)中采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器相比，限幅放大器是將幅度不同的電壓信號(hào)處理成等幅的1比特的數(shù)字信號(hào)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其位寬優(yōu)選為8比特。