[发明专利]一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法。

背景技术

现代社会中有很多用到随机数的场合，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，这些随机数往往是基于某些算法产生的伪随机数，伪随机实际上只是“看起来像”随机数，也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和随机数的不同。但是，从本质上它们的熵是不同的，伪随机数是可以被预测的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等也可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上得到保证。在一些特定场合，如量子通信，这种随机数也是不安全的。因此，需要量子随机数发生器来产生真随机数。

根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，例如，利用单光子探测、量子非局域性和真空态的统计涨落产生真随机数的技术方案都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，例如ID-Quantique system，已经进入市场。但是，值得指出的是，此类量子随机数产生器的速度受到单光子探测器死时间的制约，只能达到Mbps量级。

在现有的量子随机数产生器方案中，基于测量激光器相位涨落的随机数发生器可以达到最快的随机数产生率。此类量子随机数产生器的实验实现是搭建在光学平台上，通过马赫—曾德(MZ)干涉仪将激光中自发辐射的相位涨落转化为强度涨落，通过测量这个强度涨落来产生随机数。然而，此方案仍停留在实验室阶段，没有达到商用化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，从而使得随机数产生率可以达到Gbps量级，同时还可以大大降低制造成本。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：连续波激光器、MZ干涉仪、光电探测器和模数转换器；

所述连续波激光器，用于输出连续的激光信号；

所述MZ干涉仪，用于将所述连续波激光器输出的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落，并将具有强度涨落的激光信号发送给所述光电探测器；

所述光电探测器，用于根据接收到的激光信号的强度涨落生成相应的电信号，从而将激光束的光强转化为电信号；

所述模数转换器，用于将连续的电信号转化为数字信号，并根据数字信号生成随机数序列。

较佳的，所述连续波激光器的泵浦电流高于预设的阈值。

较佳的，所述MZ干涉仪集成在一个芯片上。

较佳的，所述量子随机数产生器集成在一个芯片上。

本发明中还提供了一种量子随机数生成方法，该方法包括如下步骤：

通过连续波激光器生成连续的激光信号；

通过MZ干涉仪将由连续波激光器生成的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落，生成具有强度涨落的激光信号；

通过光电探测器根据接收到的激光信号的强度涨落生成相应的电信号；

通过模数转换器将连续的电信号转化为数字信号，并根据数字信号生成随机数序列。

较佳的，所述连续波激光器的泵浦电流高于预设的阈值。

较佳的，该方法还进一步包括：

根据光电探测器输出的电信号中的量子信号与经典噪声，设置激光器输出功率，确定量子信号与经典噪声的比例，进而计算出量子信号的数字特征。

较佳的，该方法还进一步包括：

通过测出总信号的方差，计算出量子信号的方差；

根据最小熵公式计算出产生的随机数中的随机性。