[发明专利]多模激光腔中的量子随机数生成的方法

说明书

本发明基于用于通过量子随机数生成器产生随机数的方法和系统，该方法和系统包括以下步骤：通过电脉冲驱动器在增益切换机制下操作多模激光器，并且通过激光腔内发生的模式间拍频检测产生的随机强度型式。生成的数字是真正随机的，操作所述系统需要的元件数量最少。

描述

发明领域

本发明涉及随机数生成器(RNG)，具体涉及基于具有可变增益或损失的多模激光腔中的量子可观测量的固有随机性的生成器。

现有技术

随机数形成缺乏任何型式、随机出现的数字或符号的序列。随机数生成器(RNG)是设计用于生成随机数的计算或物理设备。可以将RNG分类为伪RNG(PRNG)、计算算法和真RNG(TRNG)。TRNG是物理设备，可以细分为基于经典确定性定律的经典RNG(CRNG)和基于量子效应的量子RNG(QRNG)。

目前商业化的RNG设备是基于单光子空间分布[1]、半导体激光器中的混沌动力学[2]、CMOS亚稳态[3]、单光子探测器阵列中的单光子探测[4]或半导体激光器中的相位扩散[5,6]，以及其他许多方案。

Pruneri等人的专利申请“ultrafast quantum random number generator andsystem thereof”[5]公开了基于测量脉冲单模半导体激光器中量子相位扩散的QRNG。通过将激光从阈值以下调制到阈值以上，生成具有几乎相同强度和完全随机化相位的光学脉冲。然后，通过使用外部干涉仪，将随机相位转换为随机振幅，可以使用PIN检测器将随机振幅数字化。除了一个激光源和干涉仪，两个激光源可以与组合器一起使用。该技术允许超快速操作方式，最近的出版物显示比特率高达40-80Gbps[7,8]。然而，需要在发射和耦合光学器件中光谱匹配的外部干涉测量元件或两个激光器使得布局复杂化，因为它增加了元件的数量，QRNG装置的整体尺寸以及在一些情况下QRNG的性能受组件稳定性的影响。例如，在两个激光器的情况下，它们的发射波长谱必须窄(单模)，随着时间推移匹配和维持，并且由于固有的不稳定性和环境变化，这并不总是容易实现的。

因此需要更小的形状因子的RNG源，其具有维持超快速和量子力学熵性质的减小的尺寸(覆盖区)。

发明概述

本发明的目的是提供一种用于量子随机数生成的方法和系统，因此克服了现有技术的限制。本发明基于将多模激光器的模式的随机相位变换成可以用快速光电二极管检测的随机强度型式。为此目的，本发明包括以下步骤：利用多模激光器，其每次往返的净增益通过电脉冲驱动器从正值到负值连续地调制，反之亦然；在比腔体的往返时间更长的时间段保持每个往返的净增益为正；在比腔体的往返时间更长的时间段保持每个往返的净增益为负；并且利用快速光电二极管(PIN)检测激光腔的纵向模式之间的产生的拍频型式。

用于实施本发明的多模激光器有许多不同的方案，例如法布里珀罗腔半导体激光器，其多模响应通过适当的波长选择反射器或包括用于模式选择的光纤布拉格光栅和半导体光学放大器的光纤环激光器实现为增益媒介。具有至少两种模式的任何激光腔原则上都是合适的，只要该至少两种模式中的至少一种模式中的净增益(即，腔体中的增益和损耗之间的差异)可以被适当地调制，特别是以实现足够负的净增益值以及相应的大相位扩散。

为了调制净增益，可以调制激光器增益、腔体损耗或者激光器增益和腔体损耗两者。在每个调制周期中，激光器经历两种稳定的工作方式：(i)超过阈值，其中多模激光器的不同纵向模式将产生以频率间隔和模式之间的相对相位为特征的随机强度型式，以及(ii)低于阈值，其中激光腔场被强制以自发发射方式进行操作，以这种方式重置和随机化下一个调制周期的模式之间的相对相位。没有成功地使激光低于阈值并在与往返时间相比足够长的时间将其保持在这种条件下使得受激发射光子在生成新的受激发射脉冲之前离开腔体将引入后续的脉冲的型式之间的相关性。多亏本发明，可以在没有任何外部或干涉测量元件下提供量子数，具有非常紧凑(小覆盖区)的系统，特别是当集成光子电路被用于构建它时。

附图简述