[发明专利]量子随机数发生器及其均匀交替变换标准基的方法

说明书

1、技术领域

本发明属于信息安全产品：安全应用与中间件产品。

2.背景技术

本发明源自目前引起世界广泛研究热潮的量子密码通信。之所以这样说，主要在于两个方面：一、量子密码通信需要真正的随机数，而且这点至关重要。如果随机数序列被攻破，量子密码通讯极易攻破。因此，国际上几个执量子密码通信领域牛耳的小组都各自开发了自己的量子随机数发生器系统。二、本发明采用的技术几乎源自量子通信技术，例如单光子探测、光子态的利用等。此外，我们对原始数据的均匀交替变换标准基处理也是启发于量子通信的BB84方案的创意。

随机数在密码术、数值计算、博弈、电子游戏等领域得到广泛应用，然而真正的随机数产生却不容易。正如美国国家航空和宇宙航行局两位资深计算机专家S.K.Park和K.W.Miller发出的感慨：“RANDOMNUMBER GENERATORS：GOOD ONES ARE HARD TO FIND”(随机数发生器：好产品好难求)。计算机一直是具有完全确定性的机器，所以，特别在行为随机性方面表现不尽人意。所以当程序员需要一个或一组真正的随机数时，他们必须通过各种方式近似地生成随机数。随机数发生器根据其工作原理大致可以分为如下几类：

基于软件的随机数发生器，是根据某个算法生成随机数，具有可重复性，相关性等，很容易被破解，常称为伪随机数发生器。虽然伪随机数产生的技术使得伪随机数越来越逼近真随机数，在数值计算、一般电子游戏中已经足够好了，但是在博弈、密码术中应用却有被破解的危险。基于软件和硬件结合的随机数发生器产生的随机数的质量决定于软件所采用的算法和硬件的工作原理，同样具有部分相关和部分可重复性。基于硬件的随机数发生器是对一些自然现象进行测量得到的参数来生成随机数(或至少是伪随机数发生器的种子)，一般可以提供比全软件解决方案更高的保证，但是基于硬件的解决方案并不总是可行，即并非都能保证产生真随机数，我们确实意识到这点是非常重要的。除非基于量子的随机现象，一个发生器系统的确定性还是有可能导致产生的随机数序列被攻破的危险。基于硬件的随机数发生器一般可分为经典的和量子的。经典的硬件随机数发生器常用的一种就是噪声随机数发生器，Ultra Stereo实验室的资深信号处理专家Don Morgan撰文指出，即使是噪声也是有规律可寻的。因此，噪声随机数发生器产生的随机数序列是由一个经典系统决定的，且受环境诸多因素影响，其均匀性也很难控制。虽然破解很难，但对于噪声专家来说还是有潜在的被攻破的危险。

真正的随机数发生器是非确定的。那表示，作为旁观者，应该永远无法以任何一致性猜测到设备的输出，即使您知道设备的原理和使用的算法。例如，如果设备输出一系列0和1，0和1在任何特定输出中出现的机会应该相等。即使掌握了设备内部工作的全部知识，任何猜中的可能性也只有50％左右。量子力学的量子态叠加原理告诉我们，量子系统可以处在对应一个力学量的本征态的叠加态，对叠加态的测量将使系统塌陷到某个确定的态，测量的结果是完全随机的。这种不确定性完全是一种量子效应，并无经典对应。

基于量子力学原理，人们开发了多种量子随机数发生器。其中一种常用的方法就是利用放射性材料的衰变事例的随机性。在这种发生器中使用电子Geiger计数器，每次当它检测到放射性衰变时，它就会生成一个脉冲。衰变之间的时间间隔是一个实足的、纯粹的随机部分。尤其是，没有人可以预测到下一次衰变的时间大于还是小于自上次衰变以来的时间，那就产生了随机信息。然而，我们所用的计时器的精确度总是有限的而且不是绝对稳定的。美国空军研究实验室首席调研员G.McGraw与其合作者在他们有关软件安全性的文章中就指出了这种量子随机数发生器由于此因数引起的非随机性。除此之外，保存放射性材料也是一个大麻烦。此外，还有利用被囚禁的单离子产生的共振荧光辐射的光子间隙时间、激光斑纹图样的空间分布等来研制量子随机数发生器的报道，但是这类仪器系统复杂、造价昂贵，使用起来极不方便。

随着单光子探测技术的发展，近年已有不少基于光量子的真随机源的实验和理论工作刊登在国际一流学术刊物上。对于这类成果我们就最近几个典型的方案在此略做介绍。

(1)据中国科学院物理所2001年的实验成果报道，他们的方案采用He-Ne激光器作为光子源、50∶50分束器(BS)分光、光电倍增管作为单光子探测器。为了改善序列0，1的均衡采用了数学处理。设计了相关驱动电路，编制了相关的驱动程序和数据处理程序。他们方案的随机序列采集速率理论上可达200kbit/s.没有商品化和其他应用的报道。