《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》是中國科學技術大學先進技術研究院於2015年6月30日申請的專利，該專利的公布號為CN204759398U，授權公布日為2015年11月11日，發明人是張軍、聶友奇、潘建偉。該實用新型涉及超高速的量子隨機數產生技術。
《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》包括雷射光源、雙光束干涉儀、相位控制系統、光電探測器和模數轉換器，雙光束干涉儀包括環形器、分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，相位控制系統包括壓控移相器，雷射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定有壓控移相器，相位控制系統通過調節壓控移相器來保證兩個干涉光路的相位差保持在預定值，從而實現雷射光源的相位波動與干涉儀的輸出光強一一對應，通過光電探測器和模數轉換器輸出隨機數的原始數據，原始數據經過後處理得到最終的量子隨機數。
2017年12月11日，《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器
- 申請人：中國科學技術大學先進技術研究院
- 申請日：2015年6月30日
- 申請號：2015204766363
- 公布號：CN204759398U
- 公布日：2015年11月11日
- 發明人：張軍、聶友奇、潘建偉
- 地址：安徽省合肥市望江西路5089號
- Int.Cl.：G06F7/58(2006.01)I
- 代理機構：廣州三環專利代理有限公司
- 代理人：郝傳鑫
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨機數是一種廣泛使用的基礎資源，而隨機數發生器就是用來產生隨機數序列的一種器件。性能良好的隨機數發生器在眾多領域比如量子通信、密碼學、博彩業、蒙特卡洛模擬、數值計算、隨機抽樣等都有著廣泛而重要的套用。
根據隨機數的特性，隨機數可以分為兩類：偽隨機數和真隨機數。偽隨機數通常由基於某特定初值的算法產生，對於確定的算法和對算法賦予的初值，其隨機數序列是確定的，所以本質上並非真正的隨機數序列。因此無法用於某些對於安全性要求較高的領域。
真隨機數通常具有以下三個特徵：不可預測性、不可重複性、無偏性。真隨機數發生器通常需要基於真實的具有自然隨機性的物理系統，而物理系統又可以分為經典的與量子的。基於量子物理系統的量子隨機數發生器，其隨機性來源清晰、客觀、安全，特別適合對於隨機性要求較高的套用場景，是近年來的發展方向。
2015年6月之前的量子隨機數發生器方案中，基於單光子路徑選擇的方案，其比特率達為1Mbps量級，而基於光子到達時間的方案，其比特率達到了100Mbps量級。對於下一代高速量子通信系統，需要的隨機數達到10Gbps以上，這就需要新的技術方案來滿足對比特率的需求。
發明內容
專利目的
《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》的首要目的在於提供一種超高速量子隨機數發器。
技術方案
《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》包括雷射光源、雙光束干涉儀、相位控制系統、光電探測器和模數轉換器，其中，所述雙光束干涉儀包括環形器、分束器、第一反射鏡和第二反射鏡，所述分束器包括設定在輸入側的第一連線埠B1、第二連線埠B2和設定在輸出側的第三連線埠B3、第四連線埠B4；相位控制系統包括壓控移相器，所述第一連線埠B1與所述相位控制系統的輸入端採用光纖耦接；所述第三連線埠B3依次與所述壓控移相器和第一反射鏡光纖連線，所述第四連線埠B4與所述第二反射鏡光纖連線；所述環形器的輸入端C1與雷射光源的輸出端採用光纖耦接，所述環形器的收發復用端C2與所述第二連線埠B2採用光纖耦接，所述環形器的輸出端C3與所述光電探測器的輸入端採用光纖耦接；所述光電探測器的輸出端與所述模數轉換器的輸入端連線。
所述相位控制系統還包括依次連線的光功率計、PID控制器和壓電控制器，所述光功率計的輸入端與所述第一連線埠B1採用光纖耦接，所述壓電控制器的輸出端與所述壓控移相器的控制端連線。所述雷射光源用於將雷射束輸出到所述雙光束干涉儀中，所述雙光束干涉儀用於使輸入的雷射束髮生雙光束干涉，並將發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，另一束光束輸出到光電探測器；所述相位控制系統包括設定在所述雙光束干涉儀的其中一個干涉光路上的壓控移相器，所述相位控制系統用於根據輸入的光束調節所述壓控移相器的電壓，從而使雙光束干涉儀的兩個干涉光路上的光束的相位差保持在預定值；所述模數轉換器用於將所述光電探測器輸出的信號轉換為數位訊號，根據所述數位訊號生成原始隨機數序列。
所述分束器用於將輸入到所述第二連線埠B2的光束分成兩束，分別從所述第三連線埠B3和第四連線埠B4輸出，所述分束器還用於使所述第三連線埠B3和第四連線埠B4返回的光束髮生干涉後分成兩束光束，其中一束光束從所述第一連線埠B1輸出到所述相位控制系統，另一束光束從所述第二連線埠B2輸出到所述光電探測器。進一步地，所述雙光束干涉儀還包括環形器，所述環形器的輸入端C1用於接收雷射光源輸出的雷射束；所述環形器的收發復用端C2用於將輸入端C1接收的雷射束輸出到所述第二連線埠B2，所述環形器21的收發復用端C2還用於將從所述第二連線埠B2輸出的光束輸出到環形器21的輸出端C3，所述環形器的輸出端C3用於將輸入的光束輸出到所述光電探測器。
所述光功率計的輸入端用於接收所述第一連線埠B1輸出的光束。所述第一連線埠B1與所述相位控制系統的輸入端採用光纖耦接。所述第四連線埠B4、壓控移相器和第一反射鏡形成第一干涉光路，所述第三連線埠B3和第一反射鏡形成第二干涉光路；所述環形器的輸入端C1與雷射光源的輸出端連線，所述環形器的收發復用端C2與所述第二連線埠B2連線，所述環形器的輸出端C3與所述光電探測器的輸入端連線；所述第一連線埠B1與所述相位控制系統的輸入端採用光纖耦接。
優選地，所述分束器的分光比為50:50。優選地，所述雷射光源為連續雷射光源。優選地，所述雙光束干涉儀的各組件之間均為光纖連線。優選地，所述第一反射鏡和第二反射鏡均為法拉第旋轉鏡。可替換地，所述分束器為保偏分束器，所述光纖為保偏光纖。優選地，所述雷射光源的工作波長為1550納米，雷射光源為雷射二極體。
相應地，該實用新型還提供了一種基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生方法，包括以下步驟：
S1、產生雷射束；
S2、將雷射束分成兩束光束髮生干涉；
S3、將干涉後的光束分成兩束光束，其中一束光束輸出到相位控制系統，相位控制系統根據輸入的干涉光束調節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定值；另一束光束輸出到光電探測器；
S4、將光電探測器輸出的信號轉換為數位訊號，生成原始隨機數序列。
該實用新型包括雷射光源、雙光束干涉儀、相位控制系統、光電探測器和模數轉換器，雷射光源的輸出的光輻射通過雙光束干涉儀進行干涉，雙光束干涉儀的兩個干涉光路之間具有預定的接入臂長差，在其中一個干涉光路上設定有壓控移相器，相位控制系統通過調節所述壓控移相器來保證兩個干涉光路的相位差保持在預定值，從而實現雷射光源的相位波動與干涉儀的輸出光強一一對應，通過光電探測器和模數轉換器輸出隨機數的原始數據，所述原始數據經過後處理得到最終的量子隨機數。
改善效果
《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》通過將光子自發輻射的隨機相位信息，轉化成隨機光強信息，再進行高速採樣得到高速量子隨機數序列。雷射光源發出均勻的連續雷射，經過干涉儀將相位波動轉換成光強變化，再由光電探測器轉換成電壓信息送入模數轉換器，得到原始隨機數序列。原始隨機數再經過基於快速傅立葉變換的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，可以通過NIST等隨機性檢驗。與2015年6月之前的技術中採用單光子探測方案的量子隨機數發生器相比，該實用新型的主要優勢在於基於雷射相位波動產生的量子隨機數方案能夠大幅度提高隨機數產生速率。單光子探測方案通常受限於單光子探測器的計數率，使得該方案的比特率難以突破百兆量級。該實用新型中的技術方案最終生成的隨機數比特率能夠達到50Gbps以上，極大地提高了隨機數的產生速率。
附圖說明
圖1是《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》實施例提供的結構框圖；
圖2是該實用新型實施例提供的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器的比特率與採樣率的關係曲線；
圖中：1-雷射光源，2-雙光束干涉儀，3-相位控制系統，4-光電探測器，5-模數轉換器，21-環形器，22-分束器，24-第一反射鏡，25-第二反射鏡，31-光功率計，32-PID控制器，33-壓電控制器，34-壓控移相器。
權利要求
1.《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》其特徵在於，包括雷射光源（1）、雙光束干涉儀（2）、相位控制系統（3）、光電探測器（4）和模數轉換器（5），其中，所述雙光束干涉儀（2）包括環形器（21）、分束器（22）、第一反射鏡（24）和第二反射鏡（25），所述分束器（22）包括設定在輸入側的第一連線埠B1、第二連線埠B2和設定在輸出側的第三連線埠B3、第四連線埠B4；相位控制系統（3）包括壓控移相器（34），所述第一連線埠B1與所述相位控制系統的輸入端採用光纖耦接；所述第三連線埠B3依次與所述壓控移相器（34）和第一反射鏡（24）光纖耦接，所述第四連線埠B4與所述第二反射鏡（25）光纖連線；所述環形器的輸入端C1與雷射光源（1）的輸出端採用光纖耦接，所述環形器的收發復用端C2與所述第二連線埠B2採用光纖耦接，所述環形器的輸出端C3與所述光電探測器（4）的輸入端採用光纖耦接；所述光電探測器（4）的輸出端與所述模數轉換器（5）的輸入端連線。
2.根據權利要求1所述的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器，其特徵在於，所述相位控制系統（3）還包括依次連線的光功率計（31）、PID控制器（32）和壓電控制器（33），所述光功率計（31）的輸入端與所述第一連線埠B1採用光纖耦接，所述壓電控制器（33）的輸出端與所述壓控移相器（34）的控制端連線。
3.根據權利要求1或2所述的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器，其特徵在於，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。
4.根據權利要求3所述的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器，其特徵在於，所述第一反射鏡（24）和第二反射鏡（25）均為法拉第旋轉鏡。
5.根據權利要求3所述的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器，其特徵在於，所述分束器（22）為保偏分束器（22），所述光纖為保偏光纖。
6.根據權利要求3所述的基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器，其特徵在於，所述雷射光源（1）為連續雷射光源（1），所述雷射光源（1）的工作波長為1550納米。
實施方式
參見圖1，《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》包括雷射光源1、雙光束干涉儀2、相位控制系統3、光電探測器4和模數轉換器5，所述雙光束干涉儀2包括環形器21、分束器22、第一反射鏡24和第二反射鏡25，所述分束器22包括設定在輸入側的第一連線埠B1、第二連線埠B2和設定在輸出側的第三連線埠B3、第四連線埠B4；環形器21包括輸入端C1、收發復用端C2和輸出端C3，所述相位控制系統3包括依次連線的光功率計31、PID控制器32和壓電控制器33和壓電移相器34，所述光功率計31的輸入端與所述第一連線埠B1連線，所述壓電控制器33的輸出端與壓控移相器34的控制端連線。壓電移相器34設定在雙光束干涉儀的其中一個干涉光路中。
所述第四連線埠B4、壓控移相器34和第一反射鏡24形成雙光束干涉儀2的第一干涉光路，所述第三連線埠B3和第二反射鏡25形成雙光束干涉儀2第二干涉光路；雙光束干涉儀2具有兩個用於產生雙光束干涉的干涉光路，稱為第一干涉光路和第二干涉光路，第一干涉光路和第二干涉光路也稱為干涉儀的兩臂。干涉儀的兩臂的路徑長短不同，光程不同，則光經過兩條路徑所耗時間不同，光經過兩條路徑所耗的時間差即為雙光束干涉儀2的接入臂長差。
所述環形器21的輸入端C1與雷射光源1的輸出端採用光纖耦接，所述環形器21的收發復用端C2與所述第二連線埠B2採用光纖耦接，所述環形器21的輸出端C3與所述光電探測器4的輸入端採用光纖耦接；所述第一連線埠B1與所述相位控制系統3的輸入端採用光纖耦接。所述雙光束干涉儀2的類型包括馬赫曾德干涉儀和麥可遜干涉儀。所述分束器22的分光比為50:50。
雷射光源1輸出的連續相干光輸入到環形器21的輸入端C1，由環形器21的收發復用端C2輸出到分束器22的第二連線埠B2，並經過分束器22分束後分別由第三連線埠B3、第四連線埠B4輸出；由第三連線埠B3輸出的光經第二反射鏡25反射回到第三連線埠B3，由第四連線埠B4輸出的光依次經過壓控移相器34後，由第一反射鏡24反射回到第四連線埠B4；反射回到第三連線埠B3和第四連線埠B4的兩路光在分束器22內發生干涉，並由分束器22分成兩路，其中一路由第二連線埠輸出到環形器21的收發復用端C2，並由環形器21的輸出端C3輸出到光電探測器4；另一路輸出到光功率計31的輸入端。相位控制系統3根據輸入的光信號控制壓控移相器34調節相位滿足預定的條件。
模數轉換器5用於將所述光電探測器4輸出的信號轉換為數位訊號，從而生成原始隨機數序列。所述雙光束干涉儀2的各組件之間均為光纖連線。所述第一反射鏡24和第二反射鏡25均為法拉第旋轉鏡。作為一種替換方案，所述分束器22為保偏分束器22，所述光纖為保偏光纖。所述雷射光源的工作波長為1550納米，雷射光源為雷射二極體。功率計的波長範圍為850-1610納米；功率監測範圍：-40分貝毫瓦至10分貝毫瓦之間。其波長與功率範圍涵蓋該實用新型其他器件的波長與光強。
壓電控制器33的電壓輸出範圍為0-150伏；電壓輸出範圍與壓控移相器34的工作電壓範圍相匹配。光電探測器4的頻寬為15千兆赫茲；回響波長範圍為800-1600納米。回響波長範圍涵蓋雷射光源1的波長，頻寬大於模數轉換器5的採樣率。模數轉換器5的採樣率為15千兆/秒；位寬為8位。採樣率不超過光電探測器4的頻寬。模數轉換器5的位寬優選為8位位寬。
該實用新型還提供了一種基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生方法，包括以下步驟：
S1、產生雷射束；
S2、將雷射束分成兩束光束髮生干涉；
S3、將干涉後的光束分成兩束光束，其中一束光束輸出到相位控制系統，相位控制系統根據輸入的干涉光束調節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定值；另一束光束輸出到光電探測器；
S4、將光電探測器輸出的信號轉換為數位訊號，生成原始隨機數序列。
該實用新型的原理如下：
雷射光源1用於產生穩定的連續相干光源，其電場可以表示為：E（t）＝E0exp[i（ω0t+θ（t））]。
雷射光源1輸出到接入臂長差為ΔT的雙光束干涉儀2進行干涉，干涉儀輸出的光強為：
。
雷射光源1的相位波動由t時刻與t+ΔT的相位差表示，記為：Δθ（t）＝θ（t+ΔT）-θ（t）。
除去探測信號的直流部分，光電探測器4的探測電流為：I（t）∝Pcos（ω0ΔT+Δθ（t））。
相位控制系統3調節壓控移相器34，以滿足以下條件：ω0ΔT＝（2mπ+π/2），其中m為整數，那么就有：I（t）∝Psin（Δθ（t））≈PΔθ（t）。
因此雷射光源1的相位波動可以通過測量干涉儀輸出光強變化得出，即光電探測器4的輸出電壓。
＜V（t）＞＝AQP+ACP+F，通過測量不同雷射器輸出功率P下光電探測器4的輸出電壓的方差進行擬合，可以得到參數AQ、AC與F。其中AQP部分是我們所感興趣的量子波動部分，ACP+F為經典部分，所以我們希望量子部分所占比例最大化。
為了最大化量子部分，我們可以通過最佳化量子部分與經典部分的比例，定義為：γ＝AQP/（ACP+F）。
有兩種方法可以得到不同光源輸出功率P下的γ值。一種方法是通過前述擬合得到的參數AQ、AC與F代入公式進行計算得出。另一種方法是通過直接測量不同輸出功率下的經典部分與量子部分得到，在光源輸出功率最大的時候，量子部分所占比例非常低，這時候我們認為，所有波動均為經典部分，然後通過加衰減的方法，將輸入干涉儀的光強調節至與前述光源輸出功率相同，測量出的光電探測器4的輸出波動均為該功率下的經典部分，結合之前所測的總波動，就可以計算得到其中的量子部分，從而得到該功率下的γ值。
根據上述兩種方法，都可以得到，在輸出功率P在0.9毫瓦附近的時候，γ值最大。
光電探測器4的輸出波動可以直接測量得出，根據γ值，可以得到其中量子波動部分為：
。
隨機性是由最小熵來量化的，其定義為：H∞＝-log2Pmax。其中Pmax為最有可能出現的結果的機率。
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，根據前述高斯分布的標準差σquantum，就可以得到Pmax，從而計算出最小熵H∞。
這意味著每一次採樣，我們至少可以從中提取H∞個隨機數比特，而每次採樣得到的原始數據為log2N個比特。也就是說，在原始數據的每一個比特中，至少有H∞/log2N個隨機數比特可以提取出來。
在最終的隨機數後處理中，採用基於快速傅立葉變換的Toeplitz矩陣算法，矩陣大小為n×m，即從n比特原始量子隨機數數據可提取出m比特的最終隨機數，且滿足如下關係：m/n≤H∞。
經過上述處理可以得到最終的量子隨機數，其隨機性來源於量子物理基本原理，是信息理論可證的。為了進一步驗證隨機數的質量，可以對其進行自相關測試或者使用標準的隨機性檢驗程式比如NIST標準測試。測試結果均表明，最終產生的量子隨機數具有很好的隨機性。
該實用新型中的量子隨機數發生器，最終比特率為CsH∞，其中H∞為最小熵，由系統參數決定，對於一個8位的模數轉換器，通常為6～7之間，Cs為所用模數轉換器的採樣率，選取不同採樣率，可以得到不同的比特率。對於一個8位的模數轉換器，產生最終量子隨機數的比特率與採樣率的關係曲線如圖2所示。可以看出，在採樣率為10千兆/秒時，該量子隨機數發生器的比特率可以達到50Gbps以上。
榮譽表彰
2017年12月11日，《基於雷射相位波動的超高速量子隨機數發生器》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
