[发明专利]一种基于真空涨落的量子随机数发生器

说明书

本发明提供了一种基于真空涨落的量子随机数发生器，包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器；光源将生成的相干光输出至分束器的第一输入端；分束器的第二输入端接收真空态；分束器将相干光和真空态分成两束光信号分别输出至第一、第二探测器；第一探测器将光信号转换成第一电流信号并将其输出至减法器的第一输入端；第二探测器将光信号转换成第二电流信号并将其输出至减法器的第二输入端；减法器将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；转换器将差值转换成离散的数字信号。应用本发明可以利用真空态的量子涨落生成随机数，有效地增加随机数产生率，保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。

技术领域

本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种基于真空涨落的量子随机数发生器。

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，随机数都有非常重要的应用。

现有技术中往往是基于某些确定算法来生成随机数。但是，基于算法的软件方法只能产生伪随机数。从其生成原理上来看，伪随机数实际上只是“看起来像”是一个随机数，也就是说，以现在的科学技术水平，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和真随机数的不同。但是，从本质上来说，伪随机数和真随机数的熵是不同的。因此，这些伪随机数实际是可以被预测的，而并不是真正的随机数。所以，在一些特定的领域或实际使用场景(例如，在安全通讯、量子通信等要求保证绝对安全的领域等)，这种伪随机数是不安全的，不能直接使用伪随机数。

随着技术的进步，基于硬件的随机数发生器也在不断地发展。其中，有一类随机数发生器是基于经典噪声(例如，电路热噪声))的发生器。虽然在使用过程中由于噪声系统的复杂性，其产生的随机数是不可预测的，但是由于它们仍然是经典系统，因此所生成的随机数在本质上还是事先确定好的，而并不是真正随机的。

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，基于单光子探测、基于光源强度或者相位测量的随机数发生器都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，例如基于单光子探测的ID-Quantique随机数发生器，也已经进入市场。

现有技术中的量子随机数发生器，主要是采用对已知源直接进行量子测量的方法，来产生由量子力学原理保障的真随机数。但是，现有商用量子随机数发生器大多采用单光子探测的方法，其随机数的产生速率受到了单光子探测器死时间(dead time)的制约，使得其随机数码率很低，很难满足当今科技层面和社会层面的不断增长的需求。另外，近来所提出的基于光源的光强或相位噪声测量的量子随机数发生器，其光学装置比较复杂，不便于集成和制造，难以得到广泛地应用。此外，即使是量子随机数发生器，也要对光源有一定的假设和要求，例如对光源的纯度有一定要求。如果光源被入侵者破坏，其产生的随机数也是不可靠的。而在实际应用中，一般很难在实际使用时完全保证源包含了足够的量子随机性，由此而生成的随机数也无法得到有效地保障。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于真空涨落的量子随机数发生器，从而可以利用真空态的量子涨落生成随机数，有效地增加随机数产生率，保证由此而产生的随机数的真随机性和可靠性。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种基于真空涨落的量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器；

所述光源，用于生成相干光，并将相干光输出至分束器的第一输入端；

所述分束器的第二输入端用于接收真空态，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器的输入端连接；所述分束器用于将所接收的相干光以及真空态分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；