[发明专利]一种Tbps码率全光真随机数发生器

说明书

技术领域

本发明与一种全光真随机数发生器有关，尤其是一种超高速、码率可调谐的全光真随机数发生器，适用于保密通信及密码学领域。

背景技术

随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，信息已成为当今社会的一种十分重要的财富。信息化社会的不断发展使得人们的生活都与信息的产生、接收、存储、处理和传递有着密切的联系。商业、金融业与互联网的结合以及现代通讯传输速率的大规模提高更是对密码学和信息安全提出了巨大的挑战。

随机数在现代保密通信和密码学领域有着非常重要的应用，是硬件加密系统的核心器件。随机数发生器主要分为两种：伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器是利用确定性算法来获得随机序列的，其最主要的缺点是具有完全的确定性和周期性，如果攻击者具有足够的计算能力，则完全可以复制甚至预测伪随机数。而真随机数发生器是利用自然界中的随机现象作为物理熵源产生出无法预测、完全随机的真随机数，能够保证信息传输的绝对安全，适用于对信息安全要求较高的硬件实体中。

根据物理熵源的不同，真随机数发生器可分为两类：基于连续时间随机系统的真随机数发生器和基于离散时间随机系统的随机数发生器。

传统的真随机数发生器均属于第一类真随机数发生器，所选用的物理熵源均属于连续时间随机系统——所发出的信号是连续模拟信号，如电阻或其他电子元件的热噪声、自发辐射噪声、核辐射衰变、振荡器的相位噪声、混沌电路、混沌激光等。为了产生真随机数，它们必须完成以下步骤：一是利用外部触发时钟采样并量化连续变化的熵源信号，产生二进制序列；二是对二进制随机数序列进行后续处理，如异或逻辑运算及高阶差分处理，从而获得真随机数。因此，传统的真随机数发生器通常由物理熵源、外部触发时钟、采样系统、量化装置、后续处理系统等五部分构成。但其不足之处在于：一是结构复杂：在模拟信号（即熵源信号）向离散信号（即真随机数）转换的过程中，需要采样和量化两个过程，由于外部触发时钟孔径抖动的存在，会严重劣化模数转换的精确度，降低系统的信噪比。二是这些随机数发生器需要后续处理，而后续处理系统的存在则会进一步增加系统的复杂度和不稳定性。三是其信号处理过程均在电域中完成，其随机数发生速率面临“电子瓶颈”的限制，速率提升空间有限。目前响应带宽最高的电ADC当属日本富士通公司的 CHAIS ADC，其带宽可达 15 GHz，已几乎接近硬件带宽理论极限。

在先技术1 [Optics Express, Vol. 18, Issue 19, pp. 20360-20369 (2010)]提出了“一种新型的全光真随机数发生器”，整个系统包含物理熵源、全光触发时钟、全光采样器、全光量化器以及全光后续处理系统（全光异或门）。其信号处理均在光域中进行，可突破“电子瓶颈”的限制，产生了速率达10 Gbps的高速全光真随机数。这个方案部分地克服了传统随机数发生器的第三个缺陷，然而前两个技术缺陷却依然存在。其根本原因是所用物理熵源是混沌激光，仍属于基于连续时间随机系统的真随机数发生器，要产生随机数序列，不可避免地需要采用外部触发时钟对其进行采样以及量化。另外，需要特别指出的是，该方案并未发挥全光信号处理（即全光量化）的技术优势——THz量级的超快响应速率，所产生的随机数码率仅为10 Gbps，这是所选用物理熵源的有限带宽导致的——混沌激光信号的带宽一般不超高20 GHz。

在先技术2 [Optics Express, Vol. 20, Issue 4, pp. 4297- 4308 (2012)]首次提出并论证了基于离散时间随机系统的全光真随机数发生器实现方案, 信号处理过程完全在光域中进行，利用被动锁模光纤激光器发射的离散混沌脉冲信号作为物理熵源，无需采样过程及外部触发时钟，便可直接产生真随机数序列。整套装置仅由物理熵源和全光量化器两部分构成，结构简单，完全克服了传统真随机数发生器的技术缺陷。但是，仍存在一个极明显的问题亟待解决：该基于离散时间随机系统的全光真随机数发生器的码率完全由被动锁模激光器的光纤环长确定，理论上速率仅能达到Mbps量级，完全无法适应现代高速通信的安全需要。实现大容量高速光通信的绝对安全要求实时地产生不低于通信速率的高速真随机数。