[发明专利]一种无需反馈控制的量子随机数发生器芯片

说明书

本发明属于光通信技术领域，公开了一种无需反馈控制的量子随机数发生器芯片，所述芯片包括集成光芯片和电子学处理模块，所述集成光芯片包括光源、不等臂干涉仪和光电探测模块；所述电子学处理模块包括积分器、差分放大器、ADC采样模块和后处理模块，与现有技术相比，本发明通过采用不等臂干涉仪结合平衡探测器，将两个光电探测器的差分电流与其平均值再次差分，无需对不等臂干涉仪的相位漂移进行反馈控制，从而提高随机数发生器的随机性、可靠性和稳定性，降低了复杂度。将光源、光电探测器以及不等臂干涉仪进行混合集成并和电子学模块集成封装，可减随机数发生器的整体尺寸，大大提高了芯片的集成度。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种无需反馈控制的量子随机数发生器芯片。

背景技术

随机数在仿真、密码学等诸多领域都具有非常重要的作用，其中，伪随机数的应用非常广泛。但是由于伪随机数一般都是通过算法产生，随着量子计算的威胁日益紧迫，伪随机数的将变得可被预测，因此其安全性无法保证。量子随机数发生器（QRNG）是利用量子物理内禀特性生成物理真随机数的新型技术，如基于量子真空态涨落，激光自发辐射的量子相位涨落等量子光学原理实现的量子随机数发生器，其产生的随机数是完全无法预测的，因此具有真随机性，也是目前研究较多且较为成熟的量子随机数产生方案。采用分立光学元件搭建而成的量子随机数发生器，体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产。因此，将光学器件集成是必然的发展趋势。

其中，基于激光自发辐射相位涨落的随机数发生器方案需要使用不等臂干涉仪，实现对光源的延时干涉，将光源的相位涨落转换成强度涨落，通过一个光电探测器进行探测。然而不等臂干涉仪结构存在不稳定性，由于其长短臂之间存在相位漂移，需要进行相位补偿来维持干涉的稳定性，需要通过单个光电探测器监测光强来进行相位反馈控制，且无法消除光源光强涨落造成的影响。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种无需反馈控制的量子随机数发生器芯片。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种无需反馈控制的量子随机数发生器芯片，包括集成光芯片和电子学处理模块，所述集成光芯片包括光源、不等臂干涉仪和光电探测模块；所述电子学处理模块包括积分器、差分放大器、ADC采样模块和后处理模块；

所述光源用于产生包含自发辐射相位涨落的连续光信号；

所述不等臂干涉仪用于使所述连续光信号进行延迟自干涉，将相位涨落转化为光强涨落，并输出第一干涉光信号和第二干涉光信号；

所述光电探测模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，分别用于将所述第一干涉光信号和第二干涉光信号转化为电流信号，并输出两路电流信号的差分电流信号；

所述差分电流信号作为所述电子学处理模块的输入信号，被分为第一差分电流信号和第二差分电流信号；

所述积分器用于产生第一差分电流信号的平均值；

所述差分放大器用于将第二差分电流信号和第一差分电流信号的平均值进行差分，产生第三差分电流信号，并将其放大后输出相应的电压信号；

所述ADC采样模块用于对所述电压信号和第一差分电流信号的平均值进行模数转换并采样，产生初始随机比特；

所述后处理模块用于将输入的初始随机比特进行随机性提取，输出提取后的随机比特。

优选地，所述不等臂干涉仪包括第一分束器、第二分束器和第一波导延迟线，所述第一分束器的一个输入端口与光源进行TE偏振对准耦合，

所述第一分束器用于将连续光信号分束成幅度相等的第一光信号和第二光信号；

所述第一波导延迟线用于将第一光信号延迟时间T；