[发明专利]一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案

说明书

本发明提供一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，用于制备安全性与源无关的真随机数。其实现步骤如下，步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ；步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。本方案不同于以往测量可提取真随机数比率的方法，通过实时监控前后两个时刻的相位差，实时处理探测结果获得实时的可提取真随机数含量，并以此进行随机数提取，所得随机数的随机性与安全性与源无关。

技术领域

本发明涉及量子随机数生成领域，特别涉及基于连续型量子源制备真随机数且系统安全性与源无关的方案，尤其是一种基于连续型量子源实时估算真随机数比率并产生真随机数，且系统安全性与源无关的方案。

背景技术

随机数在密码学、博彩活动、统计抽样、蒙特卡洛模拟及计算科学中，无不扮演着重要的角色。随机数的随机性质量的高低直接决定了相应应用最终的工作性能。现有的随机数发生器主要分为基于算法的随机数发生器和基于物理系统的随机数发生器。基于数学算法的随机数发生器所产生的随机数虽然在数学上可以满足一些随机统计性质，有的还可以通过现有公认的统计检验，但由于这种随机数是基于确定性算法，其随机性来源于输入种子的随机性。当其被频繁应用时，与传统密码一样有被破解的可能，不具有真的安全性。在基于算法的随机数发生器之外，从物理随机过程中提取随机数的系统统称为物理随机数发生器。其中，由于量子随机数发生器利用量子力学内禀随机性，并普遍认为具有真随机性，理论上能产生具有真正不可预测性的无穷长真随机数序列。然而在实际设计中，由于器件的非理想性，以及潜在窃听者的存在等不可控因素的存在，实际系统存在安全性漏洞，如何克服这些安全漏洞就显得尤为总要。

随机源对于一个随机数发生器系统来说尤为重要，它的安全性从根本上影响着最终生成随机数的安全性，因此，对于源的安全性分析显得尤为重要。在实际系统中，由于硬件的非理想性，可能导致最终提取真随机数的比率高于实际可提取真随机数的比率，最终引起所产生的随机数仍具有安全漏洞；同时，潜在的窃听者通过窃听源信息，或窃听者直接控制制备源，这对最终随机数的安全性也是一个极大的挑战。为了解决这一问题，使随机数发生器系统的安全性与源无关，且能实时高效的制备优质安全的真随机数，我们提出一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案。本方案通过监控相邻两个时刻的相位差，利用其中一个时刻的探测结果计算最大熵，相邻的后一次测量结果结合已知最大熵和相位差计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。从而实现高效安全可监控的随机数提取和生成。本方案具有系统简单，容易实现，安全性有保证，且随机数制备速率快等特点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对实际量子随机数发生器中的源制备的非理想性，本发明提出了一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，是一种通过监控相邻两个时刻的相位差，利用其中一个时刻的探测结果计算最大熵，相邻的后一次测量结果结合已知最大熵和相位差计算出当次原始数据中可提取随机数比率，并利用该比率对原始数据进行真随机数提取。从而实现高效安全可监控的随机数提取和生成。

(二)技术方案

本发明提供的一种使用相位监控模块的源无关量子随机数发生器方案，包括三个步骤

步骤1：相位监控模块对激光器输出光进行监控，获取相邻时刻相位差为Δθ＝θ₂-θ₁；

步骤2：上述输出光经监控设备之后接入耦合器，耦合器另一输入端悬空，耦合器输出光信号经过平衡零拍探测后由数据采集卡采集数据；

步骤3：后一时刻探测结果与sinΔθ的乘值结合前一时刻探测结果估算最大熵计算可提取随机数含量与进行真随机数提取。