[发明专利]一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法

摘要

本发明涉及量子高速真随机数产生方法，具体为一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法。本发明解决了现有真空量子随机数发生器其产生速率较低的问题。具体方案主要包括如下步骤：先对真空态在相空间内施加高斯分布的平移作用，实现真空态正交振幅分量噪声在相空间的放大，提高了系统中量子噪声引入的熵含量；增加数据后处理中可提取的真随机比特；增强零拍探测系统的本底光，提高探测系统对真空噪声的敏感度，放大真空噪声的测量值，使真空噪声统计的分帧量，即采样量化比特位显著增加。本发明所述的方法实现真空量子随机数产生速率的有效提高，为制备高速量子随机数发生器提供新的手段。

主权项

一种基于真空态量子涨落高速产生量子随机数的方法，其特征在于包括以下步骤：（一）搭建测量光场量子态的平衡零拍探测系统和随机数提取装置：半导体激光器（1）发出的单模连续激光首先经过光隔离器（2），保证激光不会返回到激光器影响其稳定运转，随后第一光学分束器（3）将激光分为两束，其中透射的激光提供整个零拍探测系统的本底光，半波片（4）和第二光学分束器（5）配合控制本底光的光强，由第二光学分束器（5）分出的反射光被遮光板（22）吸收；由第一光学分束器（3）反射的激光作为真空场平移作用的平移光，利用电光调制器（6）给平移光加载调制信号，调制信号由信号发生器（7）提供给电光调制器（6），随后在第一45度高反镜（8）和第二45度高反镜（9）处透射的真空场与反射的平移光场相互耦合实现真空场的平移；最后被平移的真空场入射到 50/50光学分束器（10），作为整个平衡零拍探测系统的信号光；将该信号光与频率相同、位相相干的本底光在50/50光学分束器（10）上进行空间匹配，发生干涉，然后输出反射光和透射光信号；反射光和透射光信号分别经第一光学透镜（11）和第二光学透镜（12）入射到平衡光电探测器（15）；由平衡光电探测器（15）将光信号转化为光电流信号，两路光电流信号差被放大输出，完成平衡零拍探测装置的搭建；由射频信号发生器（16）产生的射频信号与光电流信号在混频器（17）上发生混频，混频器（17）输出的信号经低通滤波器（18）滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转化器（19）转化为数字信号；随机数后处理器（20）将处理好的数据发送到计算机（21），实现随机数提取装置的构建，从而实现量子随机数的实时产生；（二）通过分析本底光强度对真空场相空间统计分布影响，确定最佳本底光强，提取量子真随机数：本底光由半波片（4）和光学分束器（5）构成的偏振分光系统精确控制相对光强，在保证平衡光电探测器（15）不饱和的情况下，通过旋转半波片（4）由弱到强地改变本底光相对光强，相应地测量多组光电压数据进行统计分析，计算不同本底光强度下，经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化，寻求最大相对量子熵，从而确定最佳本底光强；在最佳本底光强度下进一步确定真空态相空间平移的最佳高斯调制，对实验数据进行统计分析和等概率分帧，确定随机数产生过程中模数转化阶段的采样量化比特编码，依据量子熵相对含量对原始数据进行真随机数提取的后处理，最终提取产生该随机数发生方案的量子真随机数。