[实用新型]一种基于相位噪声的真随机数产生装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及信息科学量子通信中量子随机数领域，尤其涉及一种基于相位噪声的真随机数产生装置。

背景技术

随机数在密码学和安全通信中有着重要的作用，同时在模拟、博彩等等一系列场合也有着广泛应用。在量子通信中，尤其是量子密钥分发技术中，随机数同样有着至关重要的作用。为了实现理论上无条件安全的安全通信，需要结合量子密钥分发技术和“一次一密”方案，因此需要理想的、完全随机的、足够长的随机数序列。

到目前为止，公认的只有量子物理中的某些物理过程，能够产生理论上完美的随机数，即产生真随机数。因此，量子随机数即成为产生真随机数的唯一方式，也是量子信息中一个重要的分支，其产生的随机数成为量子密钥分发和其他技术的安全性基石。

一般来说，现有量子随机数发生器所采用的随机性来源，是一些量子噪声，其种类繁多。其中，源于自发辐射的相位噪声由于其实验方案简单，容易测量等优点被人们所广泛使用来产生量子随机数。

通过自发辐射的相位噪声来产生随机数的主流方案之一是光拍频的方式。其主要原理图如图1所示。

原始激光场(有相位噪声)：

延时后的激光场：

到达合束模块，合束光场为：

光场强度：

其中：

这里由于自发辐射光子在激光腔内做的是布朗运动，所以其实是均匀白噪声。通过解Fokker-Planck方程可以解出激光相位的条件概率分布：

所以其实是一个高斯分布的随机变量。

最后将所得到的I(t)进行取交流的操作(高通滤波)，再进行放大，可以得到与相位噪声相关的电压值变化：

但是利用这种方式来产生量子随机数容易引入一些经典噪声，比如电噪声、光纤抖动噪声等，使得产生的量子随机数会出现一些偏置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于相位噪声的真随机数产生装置，使引入的一些经典噪声相互抵消，并且有效避免了随机数序列产生速率受到延时的限制。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于相位噪声的真随机数产生装置，包括：

一个或两个激光器，用于产生带有相位噪声的一束或两束激光；

一光干涉元件，用于对上述带有相位噪声的激光进行干涉，得到干涉光；

两个光电转换元件，用于将上述光信号转化为电信号；

一混频器，用于将上述两个电信号进行混频，得到一混频信号；

一滤波元件，用于将上述混频信号进行高频滤波，得到一正比于上述相位噪声的模拟信号；

一模数转换元件，用于将上述模拟信号转化为数字信号，即真随机数。

进一步地，所述光干涉元件为一2*2偏振分束片。

进一步地，所述光电转换元件为光电探测器。

进一步地，所述混频器为一乘法器。

进一步地，所述滤波元件为一低通滤波器。

进一步地，所述模数转换元件为一模数转换器。

进一步地，该装置还包括：

一控制元件，用于对上述一个激光器产生的一束激光进行强度控制；

一分束片，用于将上述激光分为第一束激光与第二束激光；

一声光调制器，用于对上述的第二束激光移动中心频率，以便于第二束激光与上述第一束激光在光干涉元件中干涉。

进一步地，该装置还包括：

两个控制元件，用于对上述两个激光器产生的两束激光进行强度控制，以便于该两束激光在光干涉元件中干涉。

进一步地，所述控制元件为衰减器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过采用激光器来产生带有相位噪声的激光，有效的避免了传统的光拍频方案中对一束激光的延时操作，即消除了该延时对随机数序列产生速率的限制；同时本实用新型通过采用激光器发出的激光，让其通过一个干涉、混频以及滤波的操作，在一定程度上消除了一些经典噪声，使得到的随机数序列的质量提高。

附图说明

图1为原始光拍频方案的原理图。

图中：1-激光器、2-分束片、3-分束片、4-反光镜、5-延时光纤、6-反光镜、7-探测器、8-采样模块、9-真随机数信号。

图2为本实用新型一实施例中真随机数产生装置的结构示意图。