[发明专利]一种光量子随机源装置及随机位提取方法

说明书

技术领域

本发明属于随机源技术领域，涉及光量子随机源技术。

背景技术

随机数已被广泛应用于统计分析、计算机仿真、加密技术等领域。主要有两类产生随机数的方法，一是通过计算机由确定算法产生的伪随机数，虽然该方法可以获得很高的随机数产生速率，但由于算法的内在决定性使得伪随机数不适用于某些应用。如量子密钥分配中，量子态的准备和量子态的探测都需要真随机数。二是从非决定性的物理过程中来提取随机位，如电阻中的约翰逊噪声、激光的相位噪声、非决定性量子过程等，一般认为这些利用非决定性物理过程产生的随机数为真随机数，但不同程度地存在系统复杂、产生速率低或偏差大需要后处理等缺点。

利用光量子过程来产生物理真随机数是目前的研究热点，典型的光量子随机源是基于光子通过分束镜或偏振分束镜的空间随机性来实现的，但由于难以实现精确的50：50分束比和两个探测器的探测效率存在差异，产生的原始随机数据存在较大的偏差，即出现“1”的概率与出现“0”的概率不等，因此需要复杂的后续处理。最近报道的光量子随机源大多基于到达光子的时间信息，如根据等时间间隔内探测到光子数的随机性，对固定时间间隔探测到的光子数进行编码来产生随机位。由于固定时间间隔内探测到的光子数呈泊松分布，基于该方法的随机源所产生的原始数据存在较大的偏差，需要进一步后处理。又如根据相邻光子的时间间隔的随机性，对相邻光子时间间隔离散化编码来产生随机位。由于相邻光子间的时间服从指数分布，该方案产生的原始随机数也存在较大的偏差。

发明内容

为了实现偏差小，无需后处理的光量子随机数产生器，本发明提出一种光量子随机源装置及随机位提取方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种光量子随机源装置，包括激光二极管、衰减器、单光子计数模块、FPGA(现场可编程门阵列)随机位提取电路、恒温晶振时钟电路、USB接口和计算机。

激光二极管位于衰减器前方，单光子计数模块位于衰减器后方；单光子计数模块、恒温时钟电路与FPGA随机位提取电路相连；FPGA随机位提取电路、USB接口、计算机依次相连。

所述的FPGA随机位提取电路包括倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、2个FIFO(先进先出)存储器(FIFO-1和FIFO-2)、USB2.0接口和控制逻辑单元。

恒温晶振时钟电路输出的信号输入倍频模块，倍频模块与分频模块和控制逻辑单元相连。单光子计数模块输出的单光子脉冲信号输入到边缘检测模块，边缘检测模块与分频模块和16位计数器相连。16位计数器与偶校验器和先进先出存储器FIFO-2相连。偶校验器、移位寄存器、先进先出存储器FIFO-1、USB2.0接口依次相连。先进先出存储器FIFO-2与USB2.0接口相连。倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、先进先出存储器FIFO-1和FIFO-2、USB2.0接口和控制逻辑单元相连。

一种光量子随机源装置随机位提取方法，步骤如下：

1、激光二极管输出激光光束，该激光光束经衰减器衰减后产生离散的单光子序列；

2、离散的单光子序列被单光子计数模块探测到后，输出离散的单光子脉冲信号；

3、恒温晶振时钟电路产生高频率稳定度的时钟信号；

4、将单光子计数模块输出的单光子脉冲信号和恒温晶振时钟信号输入FPGA随机位提取电路；

5、FPGA随机位提取电路提取随机位的步骤依次如下：

5.1将输入的恒温晶振时钟信号经倍频模块倍频为更高频率时钟，该高频时钟作为FPGA的工作时钟，输入分频模块和控制逻辑单元；

5.2将倍频后的高频率时钟信号分频为更低频率时钟作为等时间间隔定时信号；

5.3将输入的单光子脉冲信号进行边缘检测，然后输出离散的随机方波脉冲；

5.4系统复位后，控制逻辑单元检测到等时间间隔信号的上升沿时，对计数器进行清零；

5.5计数器开始对单光子随机脉冲进行计数；

5.6当下一个定时信号脉冲到达时，所述的FPGA随机位提取电路进行以下操作：

(1)将计数器内的值直接存到先进先出存储器FIFO-2，以便通过USB2.0接口直接输出等时间间隔内光子数，进行数据分析；

(2)对计数器内的值进行大小判决，如此时计数器的值在预设阈值范围内，则输入偶校验器进行偶校验；