[发明专利]一种基于Y分支波导的光量子随机数发生器

说明书

技术领域

本发明属于信息安全领域，特别涉及光量子随机数发生器。

背景技术

随机数发生器在统计抽样学、计算机模拟测试、电子商务电子政务等众多领域中有着重要的应用，尤其是在信息安全和信息加密等领域，随机数更是起着关键的作用。近年来，量子保密通信(见文献K.Inoue，“Quantum key distribution technologies，”Selected Topics in Quantum Electronics，IEEE Journal of，vol.12，no.4，pp.888-896，July-Aug.2006.)已成为信息研究的热门，而随机数在其密钥形成的过程中发挥着重要作用，如果这些随机数被第三者窃取或者破解，通讯双方通过公共信道讨论探测结果时，窃听者就可能完全获取密钥而不被发现。一股情况下，人们利用计算机产生随机数序列，但是由于这种随机数产生源是经典的，总是与一定的算法对应，原则上总可以找到其中的规律性，是可以被破解的。真正的随机数序列应该是从各种随机物理过程中产生得到的，而不能通过某个具体的算法计算得到。

真随机数发生器所产生的随机数来源于真实的随机物理过程，因而彻底地消除了伪随机数的周期性问题，具有不可预测、不可再现等特性，这对于上述应用有着重要意义。自然界中存在着丰富的物理随机现象，物理随机源就是利用物理量观测值本身的随机性获得真随机数。量子态叠加原理指出：量子系统可以处在对应一个力学量的本征态的叠加态上，对叠加态的测量将会使系统塌缩到某个确定的态上，当各分量前的加权系数相同时，测量的结果就是完全随机的，利用这种量子效应可以得到真正意义上的真随机源。如由核衰变发生的光电效应、康普顿效应和电子对效应是随机的，可用于实现真随机源(见文献A.Alkassar，T.Nicolay，and M.Rohe，“Obtaining true random binary numbers from a weak radioactive source，”Lecture Notes in Computer Science，2005，Volume 3481/2005，12-13)；被囚禁的单离子共振荧光辐射产生光子的间隔时间是随机分布的，可作为真随机源(见文献W.M.Itano，J.C.Bergquist，R.G.Hulet，and D.J.Wineland，“Radiative Decay Rates in Hg+from Observations of Quantum Jumps in a Single Ion，”Phys.Rev.Lett.，vol.59，pp.2732-2735，1987.)；激光斑图案的空间分布的随机特性也可以被用于二维真随机数的产生(见文献A.J.Martino and G.Michael Morris，“Optical random number generator based on photoevent locations，”Appl.Opt.，vol.30，pp.981-989，1991.)。然而以上真随机源存在放射性物质使用的不方便、数据采集上的难度以及随机数产生速率较低、系统较复杂，不易构成实用化模块等不足，因此应用范围受到了限制。在各类量子物理随机源中，基于光量子随机特性的随机源，具有严格意义上的真随机性，且这类随机源具有速率潜力大、稳定性易于控制、实现装置相对简单、容易产品化等优点，是物理真随机源的一个新兴且重要的发展方向。

一个物理的真随机数发生器无论是在计算机模拟计算，经典信息安全领域以及未来的量子信息领域都有重要应用。近年来，随着单光子探测技术的发展，已经有不少基于光量子随机特性的真随机源的理论和实验方案公开发表。

奥地利Wein大学量子信息小组采用半导体发光二极管作为单光子源、45°的光偏振分束器分光，高灵敏度的光电倍增管作为单光子探测器搭建了随机数发生器的光学部分。设计了相关驱动电路和计算机接口电路，并编制了相应的驱动程序(见文献Thomas Jennewein，Ulrich Achleitner，Gregor Weihs，Harald Weinfurter，Anton Zeilinger，“A fast and compact quantum random number generator，”Review of Scientific Instruments，vol.71，no.4，pp.1675-1680，Apr2000.)。该方案随机数序列采集速率可达1Mbit/s，并且成功的将其运用到量子保密通信实验中。