自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中，量子随机数源用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，通过采样器的重新采样，偏置计算，如果计数器最低位仍有偏置，则对量子随机数源重新纠偏，如此循环，采样器的计数值最低位是无偏置后，输出随机数。利用本发明，能够产生无后处理的高质量高速真随机数。
【专利说明】自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加密【技术领域】，具体涉及一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 随机数最重要的特性是它在产生时后面的那个数与前面的那个数毫无关系。在很 多场合使用的是通过一个固定的、可以重复的计算方法产生的，称为伪随机数，虽然使用了 复杂的数学函数，但是在一些加密系统的应用中，已经被证明有很多途径可以攻击用伪随 机数加密的系统。真正关键的应用，必须使用真随机数，而真随机数是基于物理现象产生 的，比如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，这样的随机数发生器叫做 物理性随机数发生器。
[0003] 随机数被应用在不同的场合，比如统计学的不同技术中需要使用随机数，如从统 计总体中抽取有代表性的样本时，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者 在进行蒙特卡罗模拟法计算时等等。而在密码学的各种应用中，随机数更是必不可少的，而 且要求高质量的随机数，只有这样才能保证系统的安全。尤其是在量子密钥分配的各种实 现方案中，随机数在密钥的形成过程中起着至关重要的作用，如果这些随机数被第三方窃 取或者破解，通讯双方通过公共信道讨论探测结果时，窃听者可能完全获取密钥而不被发 现。因此，无论是在经典的信息安全领域还是在量子信息领域，一个真随机数发生器都是必 须的。
[0004] 本发明设计的真随机数发生器是利用光学量子随机数源中光子计数的随机性来 产生的。利用光学量子随机数源的方法有很多，比如经典的单光子通过分光器使用2个单 光子探测器探测的方案，此方案由于探测器探测效率的不一致性，要做到无偏非常困难，同 时此方案产生的随机数速率很低。其他方案有它的优点，同时一般都有一些缺点，比如产生 速率很低，产生随机数的质量不好，或者实现非常复杂，还有就需要后处理。一个高质量的 物理随机数应该是能做到无后处理而直接输出。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生 装置及方法，以产生无后处理的高质量高速真随机数。
[0007] (二）技术方案
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生 装置，该装置包括量子随机数源、采样器和自动纠偏器，其中：量子随机数源，用于产生单光 子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器，用于对该单光子水平的光探测信号进行采 样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的， 则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器，用于对采样器的计数值最 低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，使采样器的计数值最低位是无偏置的，通过采 样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源重新纠偏，如此循环，直到采样器的计数值最 低位是无偏置后，输出随机数。
[0009] 上述方案中，所述量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光 子探测的高灵敏光电培增管，其中，可调弱光源发出微弱光，衰减器使得光源发出的微弱光 衰减到单光子水平，高灵敏光电培增管对单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信 号给米样器。
[0010] 上述方案中，所述可调弱光源包括电压输入端、电阻和发光二极管，在电压输入端 加电压之后，使得发光二极管发出微弱光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减， 使得光弱到单光子水平。
[0011] 上述方案中，所述采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理 模块，采样器在接收到光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过 甄别器进行高速甄别，甄别后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的 值在固定周期内进行采样，并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏 置的，则从随机数输出接口输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器 进行纠偏处理。
[0012] 上述方案中，所述计数器采用2级方案，前一级为高速计数器，例如基于发射极耦 合逻辑（ECL)的高速计数器，后一级为低速计数器，例如基于可编程门列阵（FPGA)的计数 器，方便数据在FPGA中进行处理，并提供各种接口。
[0013] 上述方案中，所述自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块 和数模转换模块，数据处理模块对输入的采样器计数值最低位进行数据处理，根据计数最 低位的偏置情况及偏置与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控 制模块控制数模转换输出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调 弱光源的强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转 换的控制值，如此反复，直到采样器的计数值最低位无偏置为止。
[0014] 为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种产生自动纠偏的无后处理量子随机 数的方法，该方法包括：量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采 样器对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输 出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理；自动纠偏器 对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，使采样器的计数值最低位 是无偏置的。
[0015] 上述方案中，所述量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器， 包括：量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电 培增管，在可调弱光源的电压输入端加电压之后，使得可调弱光源的发光二极管发出微弱 光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平；高灵敏光电 培增管对该单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。
[0016] 上述方案中，所述采样器对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计 数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器 进行纠偏处理，包括：采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块， 采样器在接收到光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器 进行甄别，甄别后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周 期内进行采样，并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随 机数输出接口输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处 理。
[0017] 上述方案中，所述自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随 机数源自动纠偏，包括：自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数 模转换模块，数据处理模块对输入的采样器计数值最低位进行偏置计算，根据计数最低位 的偏置情况及偏置与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模 块控制数模转换输出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光 源的强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的 控制值，如此反复，直到采样器的计数值最低位无偏置为止。
[0018] (三）有益效果
[0019] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0020] 1、本发明提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，使用光子达到 个数的随机性来产生真随机数，利用对弱光源进行单光子水平的探测，并利用自动纠偏技 术产生无后处理的高质量高速真随机数，是一种使用自动纠偏技术，无需后处理物理随机 数产生器，适用于保密通讯，加密计算，密钥管理等各种需要真随机数的场合，特别是在新 兴的量子保密通讯系统中，真随机数更是必不可少。
[0021] 2、本发明提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，通过自动纠偏 器和基于高速计数器的采样器，具有高性能，超过50Mbps的高速率，无需后处理，结构简 单，易于实现，随机数的质量好，并通过了美国国家标准与技术研究院（NIST)、DIEHARD等 多种技术测试标准。
[0022] 3、本发明提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，由于采样器部 分主体部分可以在FPGA中实现，具有非常大的灵活性，集成灵活，可以很方便的和FPGA中 的其他功能进行集成；接口灵活，可以很方便的设计各种接口，包括硬接口和软接口，以满 足各种应用的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置的结构示意图；
[0024] 图2为图1中量子随机数源的结构示意图；
[0025] 图3为图1中采样器的结构示意图；
[0026] 图4为图1中自动纠偏器的结构示意图；
[0027] 图5为本发明中采样器计数采样的时序波形图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0029] 本发明提供了一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，采用发光波 段和探测波段一致的光电二极管（LED)和用于单光子探测的高灵敏光电培增管（PMT)，调 节LED电压使得LED稳定发光的前提下发出微弱光，并通过衰减器，对光进行衰减到单光子 水平，并使用PMT进行探测，PMT输出信号经过放大及甄别之后，进入一个计数器进行计数， 同时分析计数，反馈给LED控制电路，控制LED发光强度，使得计数值的最低位无偏置之后 作为真随机数输出，这样就得到无需后处理的真随机数。
[0030] 如图1所示，图1为本发明提供的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置的结 构示意图，该装置包括量子随机数源1、采样器2和自动纠偏器3,其中，量子随机数源用于 产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；采样器用于对该单光子水平的光探测信 号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是 有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；自动纠偏器用于对采样器的 计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，如果采样器的计数值最低位是有偏置 的，通过采样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源纠偏，如此循环，直到采样器的计数 值最低位是无偏置后，输出随机数。
[0031] 如图2所示，图2为图1中量子随机数源的结构示意图。量子随机数源包括依次连 接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培增管（PMT)，对于可调弱光源， 需要根据采样器输出的偏置情况，在光源稳定发光的前提下，使得光源发出微弱光。衰减器 使得光源发出的微弱光衰减到单光子水平，而高灵敏光电培增管对单光子水平的光进行探 测，并输出光探测信号给采样器。
[0032] 图2中，可调弱光源由电压输入端、电阻和发光二极管（LED)构成，在电压输入端 加电压之后，使得LED在稳定发光的情况发光强度尽量弱。发出的微弱光通过衰减器进行 衰减，使得光弱到单光子水平，高灵敏光电培增管对该单光子水平的微弱光进行探测，PMT 需要给一个高压才能正常工作，并输出光探测信号给采样器。根据量子力学的原理，基于单 光子水平的光子探测，其光子数的分布符合泊松分布，其计数值的奇偶是有偏置的，PMT探 测和读出电子学的死时间在高速随机数产生时可以消除此种偏置，因此本发明通过自动纠 偏器对光源电压的调节，使得其固定周期内的计数的奇偶性符合均匀分布，从而输出计数 的最低位为无需后处理的真随机数。
[0033] 如图3所示，图3为图1中采样器的结构示意图。采样器包括依次连接的放大器、 甄别器、计数器和计数采样处理模块。由于PMT输出的信号微弱，因此采样器在接收到该光 探测信号后需要利用放大器对其进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别后的信号 进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样，并对计数 值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口输出随机 数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。
[0034] 图3中，计数器可以采用1级或多级方案，本实例为2级方案，前一级为高速计数 器，例如基于发射极耦合逻辑（ECL)的高速计数器，后一级为低速计数器，例如基于可编程 门列阵（FPGA)的低速计数器，方便数据在FPGA中进行处理，并提供各种接口。
[0035] 如图4所示，图4为图1中自动纠偏器的结构示意图。自动纠偏器包括依次连接 的数据处理模块、数模转换（DAC)控制模块和DAC模块。自动纠偏器根据采样器计数值的 最低位偏置情况，调节可调弱光源的发光强度，直到采样器计数值的最低位无偏置为止。数 据处理模块对输入的计数值最低位进行数据处理，即根据计数最低位的偏置情况及偏置与 计数率之间的关系，偏移DAC的控制值，并通过DAC控制模块控制DAC输出一个合适的电压 给量子随机数源中的电压输入，从而调整光源强度，在采样器中采样之后由自动纠偏器继 续计算偏置情况，并给出新的DAC的控制值，如此反复，直至采样器的计数值最低位无偏为 止。
[0036] 图5为本发明中采样器计数采样的时序波形图。在采样器中，需要对计数器的值 进行采样，由于采样时钟和计数脉冲是没有关系的，异步的，因此存在亚稳态采样而导致计 数出错，为了去除此种使用三个相位为45左右的时钟同时采样，由于存在相位差，所以三 个时钟中，肯定有2个采样是准确的，通过分析这些采样值就得到正确的计数值。
[0037] 基于上述图1至图4所示的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，本发明还 提供了一种产生自动纠偏的无后处理的量子随机数的方法，具体包括如下步骤：
[0038] 步骤1 :量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器；
[0039] 对于可调弱光源，需要根据采样器输出的偏置情况，调节可调弱光源的电压，使得 在光源稳定发光的前提下，光源发出微弱光。衰减器使得光源发出的微弱光衰减到单光子 水平，而高灵敏光电培增管（PMT)对单光子水平的光进行探测，并输出光探测信号给采样 器。根据量子力学的原理，基于单光子水平的光子探测，其光子数的分布符合泊松分布，其 计数值得奇偶是有偏置的，而通过自动纠偏器对光源电压的调节，PMT探测和读出电子学的 死时间在高速随机数产生时可以消除此种偏置，使得其固定周期内的计数的奇偶性符合均 匀分布。
[0040] 步骤2 :采样器对量子随机数源产生的单光子水平的光探测信号进行采样，如果 采样器的计数值最低位是无偏置的，则输出随机数；如果采样器的计数值最低位是有偏置 的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行纠偏处理；
[0041] 采样器由依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块构成，由于PMT 输出的信号很微弱，所以需要进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别后的信号进入 计数器进行计数。计数器采用1级或多级方案，本实例中采用2级方案，前一级为基于ECL 的高速计数器，后一级为基于FPGA的计数器，方便数据在FPGA中进行处理，并提供各种接 口。计数值的最低位在经过量子随机数源自动纠偏调节之后输出为随机数。
[0042] 步骤3 :自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠 偏；
[0043] 自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置统计，根据统计值通过DAC模块对 可调弱光源进行高精度细微调整，使得采样器计数值最低位无偏。
[0044] 步骤4 :采样器在自动纠偏器纠偏之后输出随机数；
[0045] 自动纠偏器根据采样器计数值的最低位偏置情况，细微调节可调弱光源的强度， 直到计数值的最低位没有偏置；经过自动纠偏器自动纠偏之后，把采样器计数值的最低位 输出，即输出随机数。
[0046] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，该装置包括量子随机 数源、采样器和自动纠偏器，其中： 量子随机数源，用于产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器； 采样器，用于对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无 偏置的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源 进行纠偏处理； 自动纠偏器，用于对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，通 过采样器的重新采样，偏置计算，对量子随机数源重新纠偏，如此循环，直到采样器的计数 值最低位是无偏置后，输出随机数。
2. 根据权利要求1所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所 述量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培增 管，其中，可调弱光源发出微弱光，衰减器使得光源发出的微弱光衰减到单光子水平，高灵 敏光电培增管对单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。
3. 根据权利要求2所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所 述可调弱光源包括电压输入端、电阻和发光二极管，在电压输入端加电压之后，使得发光二 极管发出微弱光；发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平。
4. 根据权利要求1所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所 述采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块，采样器在接收到光 探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别后 的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样，并 对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口输 出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。
5. 根据权利要求4所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所 述计数器采用2级方案，前一级为高速计数器，后一级为低速计数器。
6. 根据权利要求1所述的自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置，其特征在于，所 述自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数模转换模块，数据处 理模块对输入的采样器计数值最低位进行数据处理，根据计数最低位的偏置情况及偏置与 计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模块控制数模转换输出 一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光源的强度，在采样器 中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的控制值，如此反复，直 到采样器的计数值最低位无偏置为止。
7. -种利用权利要求1至6中任一项所述自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置产 生无后处理量子随机数的方法，其特征在于，该方法包括： 量子随机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器； 采样器对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置 的，则输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器对量子随机数源进行 纠偏处理； 自动纠偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源纠偏，使采样器 的计数值最低位是无偏置的。
8. 根据权利要求7所述的产生无后处理量子随机数的方法，其特征在于，所述量子随 机数源产生单光子水平的光探测信号，并输出给采样器，包括： 量子随机数源包括依次连接的可调弱光源、衰减器及用于单光子探测的高灵敏光电培 增管，在可调弱光源的电压输入端加电压之后，使得可调弱光源的发光二极管发出微弱光； 发光二极管发出的微弱光通过衰减器进行衰减，使得光弱到单光子水平；高灵敏光电培增 管对该单光子水平的微弱光进行探测，并输出光探测信号给采样器。
9. 根据权利要求7所述的产生无后处理量子随机数的方法，其特征在于，所述采样器 对该单光子水平的光探测信号进行采样并计数，如果计数值最低位是无偏置的，则输出随 机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理，包括： 采样器包括依次连接的放大器、甄别器、计数器和计数采样处理模块，采样器在接收到 光探测信号后利用放大器对该光探测信号进行放大，放大之后通过甄别器进行甄别，甄别 后的信号进入计数器进行计数，计数采样处理模块对计数器的值在固定周期内进行采样， 并对计数值的最低位进行偏置分析，如果计数值最低位是无偏置的，则从随机数输出接口 输出随机数；如果计数值最低位是有偏置的，则进入自动纠偏器进行纠偏处理。
10. 根据权利要求7所述的产生无后处理量子随机数的方法，其特征在于，所述自动纠 偏器对采样器的计数值最低位进行偏置计算并对量子随机数源自动纠偏，包括： 自动纠偏器包括依次连接的数据处理模块、数模转换控制模块和数模转换模块，数据 处理模块对输入的采样器计数值最低位进行偏置计算，根据计数最低位的偏置情况及偏置 与计数率之间的关系，偏移数模转换的控制值，并通过数模转换控制模块控制数模转换输 出一个合适的电压给量子随机数源中的电压输入端，从而调整可调弱光源的强度，在采样 器中采样之后由自动纠偏器继续计算偏置情况，并给出新的数模转换的控制值，如此反复， 直到采样器的计数值最低位无偏置为止。
【文档编号】G06F7/58GK104123116SQ201410383773
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】王坚, 王建民, 张鸿飞 申请人:中国科学技术大学