本實(shí)用新型涉及信息科學(xué)量子通信中量子隨機(jī)數(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于相位噪聲的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置。

背景技術(shù)：

隨機(jī)數(shù)在密碼學(xué)和安全通信中有著重要的作用，同時(shí)在模擬、博彩等等一系列場合也有著廣泛應(yīng)用。在量子通信中，尤其是量子密鑰分發(fā)技術(shù)中，隨機(jī)數(shù)同樣有著至關(guān)重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全的安全通信，需要結(jié)合量子密鑰分發(fā)技術(shù)和“一次一密”方案，因此需要理想的、完全隨機(jī)的、足夠長的隨機(jī)數(shù)序列。

到目前為止，公認(rèn)的只有量子物理中的某些物理過程，能夠產(chǎn)生理論上完美的隨機(jī)數(shù)，即產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)。因此，量子隨機(jī)數(shù)即成為產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的唯一方式，也是量子信息中一個重要的分支，其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)成為量子密鑰分發(fā)和其他技術(shù)的安全性基石。

一般來說，現(xiàn)有量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器所采用的隨機(jī)性來源，是一些量子噪聲，其種類繁多。其中，源于自發(fā)輻射的相位噪聲由于其實(shí)驗(yàn)方案簡單，容易測量等優(yōu)點(diǎn)被人們所廣泛使用來產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)。

通過自發(fā)輻射的相位噪聲來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的主流方案之一是光拍頻的方式。其主要原理圖如圖1所示。

原始激光場(有相位噪聲)：

延時(shí)后的激光場：

到達(dá)合束模塊，合束光場為：

光場強(qiáng)度：

其中：

這里由于自發(fā)輻射光子在激光腔內(nèi)做的是布朗運(yùn)動，所以其實(shí)是均勻白噪聲。通過解Fokker-Planck方程可以解出激光相位的條件概率分布：

所以其實(shí)是一個高斯分布的隨機(jī)變量。

最后將所得到的I(t)進(jìn)行取交流的操作(高通濾波)，再進(jìn)行放大，可以得到與相位噪聲相關(guān)的電壓值變化：

但是利用這種方式來產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)容易引入一些經(jīng)典噪聲，比如電噪聲、光纖抖動噪聲等，使得產(chǎn)生的量子隨機(jī)數(shù)會出現(xiàn)一些偏置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于相位噪聲的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，使引入的一些經(jīng)典噪聲相互抵消，并且有效避免了隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生速率受到延時(shí)的限制。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：

一種基于相位噪聲的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，包括：

一個或兩個激光器，用于產(chǎn)生帶有相位噪聲的一束或兩束激光；

一光干涉元件，用于對上述帶有相位噪聲的激光進(jìn)行干涉，得到干涉光；

兩個光電轉(zhuǎn)換元件，用于將上述光信號轉(zhuǎn)化為電信號；

一混頻器，用于將上述兩個電信號進(jìn)行混頻，得到一混頻信號；

一濾波元件，用于將上述混頻信號進(jìn)行高頻濾波，得到一正比于上述相位噪聲的模擬信號；

一模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，用于將上述模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，即真隨機(jī)數(shù)。

進(jìn)一步地，所述光干涉元件為一2*2偏振分束片。

進(jìn)一步地，所述光電轉(zhuǎn)換元件為光電探測器。

進(jìn)一步地，所述混頻器為一乘法器。

進(jìn)一步地，所述濾波元件為一低通濾波器。

進(jìn)一步地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換元件為一模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步地，該裝置還包括：

一控制元件，用于對上述一個激光器產(chǎn)生的一束激光進(jìn)行強(qiáng)度控制；

一分束片，用于將上述激光分為第一束激光與第二束激光；

一聲光調(diào)制器，用于對上述的第二束激光移動中心頻率，以便于第二束激光與上述第一束激光在光干涉元件中干涉。

進(jìn)一步地，該裝置還包括：

兩個控制元件，用于對上述兩個激光器產(chǎn)生的兩束激光進(jìn)行強(qiáng)度控制，以便于該兩束激光在光干涉元件中干涉。

進(jìn)一步地，所述控制元件為衰減器。

本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型通過采用激光器來產(chǎn)生帶有相位噪聲的激光，有效的避免了傳統(tǒng)的光拍頻方案中對一束激光的延時(shí)操作，即消除了該延時(shí)對隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生速率的限制；同時(shí)本實(shí)用新型通過采用激光器發(fā)出的激光，讓其通過一個干涉、混頻以及濾波的操作，在一定程度上消除了一些經(jīng)典噪聲，使得到的隨機(jī)數(shù)序列的質(zhì)量提高。

附圖說明

圖1為原始光拍頻方案的原理圖。

圖中：1-激光器、2-分束片、3-分束片、4-反光鏡、5-延時(shí)光纖、6-反光鏡、7-探測器、8-采樣模塊、9-真隨機(jī)數(shù)信號。

圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例中真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

1-激光器、2-衰減器、3-分束片、4-2*2偏振分束片、5-聲光調(diào)制器、6-光電探測器1、7-光電探測器2、8-乘法器、9-低通濾波器、10-模數(shù)轉(zhuǎn)換器、11-真隨機(jī)數(shù)信號。

圖3為圖2的信號流程圖。

圖4為本實(shí)用新型另一實(shí)施例中真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-激光器1、2-激光器2、3-衰減器1、4-衰減器2、5-2*2偏振分束片、6-光電探測器1、7-光電探測器2、8-乘法器、9-低通濾波器、10-模數(shù)轉(zhuǎn)換器、11-真隨機(jī)數(shù)信號。

圖5為圖4的信號流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說明如下。

【實(shí)施例1】

本實(shí)用新型可以只采用一個激光器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，沿著信號流向依次包括一個激光器、一個衰減器、一分束片、一聲光調(diào)制器、一2*2偏振分束片、兩個光電探測器、一乘法器、一低通濾波器、一模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中激光器用于發(fā)出一束激光，由于激光器產(chǎn)生激光(主要是受激輻射)時(shí)，同時(shí)會不可避免的產(chǎn)生自發(fā)輻射，大量的自發(fā)輻射綜合效應(yīng)就會在激光中造成相位上的波動，也就是我們說的相位噪聲，它是來自具有量子效應(yīng)的自發(fā)輻射，所以具有真隨機(jī)性。

所述衰減器的一端與激光器相連，另一端與分束片的一端相連，衰減器用于控制光強(qiáng)，防止激光器產(chǎn)生的激光太強(qiáng)，損毀裝置。所述分束片另一端的兩個端口用于各產(chǎn)生一束激光，即第一束激光和第二束激光。所述2*2PBS(偏振分束片)同一端的兩個端口，一個直接與上述分束片的另一端相連，另一個通過一聲光調(diào)制器與上述分束片的另一端相連；即從分束片出來的第二束激光通過一聲光調(diào)制器移動中心頻率，然后與第一束激光在一2*2PBS中干涉，得到兩束干涉光。所述光電探測器用于將上述2*2PBS產(chǎn)生的兩個光信號轉(zhuǎn)化為兩個電信號，以便于后續(xù)的操作和測量。所述乘法器同時(shí)與兩個光電探測器相連，將前面得到的兩個電信號進(jìn)行一個相乘的操作，得到一個相乘信號。所述低通濾波器將所述的相乘信號中和頻分量濾去，只剩下差頻分量，該差頻分量信號正比于所述相位噪聲信號。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將該差頻分量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，即得到真隨機(jī)數(shù)。

請參考圖2與圖3，下面以一具體實(shí)施例來解釋說明本實(shí)用新型：

首先由一個激光器發(fā)出一束激光：

其中為激光的相位噪聲，其包括經(jīng)典相位噪聲(主要是光纖相位噪聲，在光纖中傳播的時(shí)候會引入)和由激光器自發(fā)輻射造成的量子相位噪聲即

上述激光通過一個分束片分為兩束激光：

其中，第二束激光又通過一個聲光調(diào)制器，造成了延時(shí)以及中心頻率的變動，得到：

之后兩束激光通過一個2*2的PBS進(jìn)行干涉，得到：

然后兩束激光分別通過了一個t₁與t₂的延時(shí)后，經(jīng)過光電探測器，得到兩個電信號：

其中：

將上述兩個電信號取交流后通過一乘法器，可以得到一個交流信號相乘之后的信號，即：

其中Δω是由聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)選取合適的值時(shí)，可以消去上式中的高頻部分，保留低頻部分：

通過調(diào)節(jié)探測延時(shí)，當(dāng)t₁和t₂非常接近時(shí)，一些經(jīng)典噪聲如光纖抖動噪聲(幾Khz)、低頻電噪聲(幾十Mhz以下)等，通過低通濾波的操作，可以近似的消去這些經(jīng)典噪聲。

通過上面的分析最后得到：

相位噪聲

最后將該信號經(jīng)過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所得到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特，便可以得到一系列真隨機(jī)數(shù)序列。

【實(shí)施例2】

本實(shí)用新型也可以采用兩個激光器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，沿著信號流向依次包括兩個激光器、兩個衰減器、一2*2偏振分束片、兩個光電探測器、一乘法器、一低通濾波器、一模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中兩個激光器用于分別發(fā)出兩束激光，由于激光器產(chǎn)生激光(主要是受激輻射)時(shí)，同時(shí)會不可避免的產(chǎn)生自發(fā)輻射，大量的自發(fā)輻射綜合效應(yīng)就會在激光中造成相位上的波動，也就是我們說的相位噪聲，它是來自具有量子效應(yīng)的自發(fā)輻射，所以具有真隨機(jī)性。

所述兩個衰減器的一端分別與兩個激光器相連，另一端與一2*2偏振分束片同一端的兩個端口相連，衰減器用于控制光強(qiáng)，防止激光器產(chǎn)生的激光太強(qiáng)，損毀裝置。所述2*2偏振分束片另一端的兩個端口分別與兩個光電探測器相連，PBS(偏振分束片)的作用是使兩個激光器發(fā)出的兩束激光進(jìn)行干涉，得到兩束干涉光。所述光電探測器用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便于后續(xù)的操作和測量。所述乘法器同時(shí)與兩個光電探測器相連，將前面得到的兩個電信號進(jìn)行一個相乘的操作，得到一個相乘信號。所述低通濾波器將所述的相乘信號中和頻分量濾去，只剩下差頻分量，該差頻分量信號正比于所述相位噪聲信號。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將該差頻分量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，即得到真隨機(jī)數(shù)。

請參考圖4與圖5，首先由兩個連續(xù)激光器發(fā)出激光，假設(shè)激光器1、2發(fā)出的激光為：

其中和分別為激光1和激光2的相位噪聲，其包括經(jīng)典相位噪聲(主要是光纖相位噪聲，在光纖中傳播的時(shí)候會引入)和由激光器自發(fā)輻射造成的量子相位噪聲即

上述激光1和激光2分別經(jīng)過衰減器1、2后得到衰減后激光1、2，之后通過一2*2PBS使兩束衰減后激光進(jìn)行干涉得到激光3和4，注意這里可是矢量相加(沒有和項(xiàng))。

激光3和激光4又分別經(jīng)過了t₁和t₂的時(shí)間到達(dá)光電探測器，得到

由光電探測器轉(zhuǎn)化為電流信號i₃和i₄：

i₃(t,t₁)∝I₃(t,t₁)

i₄(t,t₂)∝I₄(t,t₂)

由于光電探測器可視作一個帶通濾波器，所以經(jīng)過光電探測器后激光3和激光4只保留交流分量，也就是取電流i₃和i₄的交流分量：

利用乘法器使激光3和激光4的強(qiáng)度相乘，也就是讓電流i₃和i₄相乘，得到

其中：

Δω＝ω₁-ω₂

相應(yīng)地，經(jīng)過乘法器后的電流信號為：

i₃₄(t)＝i₃(t)×i₄(t)∝I₃(t₁)_AC×I₄(t₂)_AC

其中Δω項(xiàng)可以通過調(diào)節(jié)激光器的中心頻率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)該項(xiàng)取值合適時(shí)，就可以通過一個低通濾波器取低頻部分，濾去高頻部分：

繼而得到：

由于其中的項(xiàng)中包含經(jīng)典相位噪聲和量子相位噪聲，也就是和項(xiàng)，通過調(diào)節(jié)探測延時(shí)，當(dāng)t₁和t₂非常接近時(shí)，一些經(jīng)典噪聲如光纖抖動噪聲(幾Khz)、低頻電噪聲(幾十Mhz以下)等，通過低通濾波的操作，可以近似的消去這些經(jīng)典噪聲，也就是項(xiàng)，并且由于Δω(t₁-t₂)項(xiàng)是一個常量，所以可以得到一個與相位噪聲成正比的信號。

即最后得到：

相位噪聲

由上述可知，通過合適的控制Δω和探測延時(shí)t₁,t₂，可以得到一個主要由量子相位噪聲決定的信號，因此可以利用該信號來產(chǎn)生基于量子物理的真隨機(jī)數(shù)。最后將該信號經(jīng)過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所得到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字比特，便可以得到一系列量子隨機(jī)序列。

以上實(shí)施僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。