一种量子随机数产生方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种量子随机数产生方法及装置，其中，该装置包括：量子随机数源，用于输出微弱光探测信号；随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。本发明公开的装置，随机数产生质量较高产生速率较快，且无需后处理。
【专利说明】一种量子随机数产生方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加密【技术领域】，尤其涉及一种量子随机数产生方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随机数最重要的特性是产生的前后两个数之间毫无关系。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。 对于真正关键的应用，必须使用真随机数，而真正的随机数是使用物理现象产生的：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的时候，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的时候等等。而在密码学的各种应用的中，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] 目前，利用光学量子随机源的方法有很多，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，但是，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；目前其他类似的方案均也存在较大缺陷，例如 产生速率很低，产生随机数的质量不好，实现非常复杂，以及需要进行后续处理等。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种量子随机数产生方法及装置，随机数产生质量较高产生 速率较快，且无需后处理。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种量子随机数产生装置，该装置包括：
[0008] 量子随机数源，用于输出微弱光探测信号；
[0009] 随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信 号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数 进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。
[0010] -种量子随机数产生方法，该方法包括：
[0011] 输出微弱光探测信号；
[0012] 将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时 间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为 1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。
[0013] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于时间测量和计数甄别技术的真随机 数发生器具有高性能，高速率（超过40Mbps)，无需后处理，结构简单，易于实现，随机数的 质量好的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0015] 图1为本发明实施例一提供的一种量子随机数产生装置的示意图；
[0016] 图2为本发明实施例一提供的一种量子随机数源的示意图；
[0017] 图3为本发明实施例一提供的一种随机数采样器的示意图；
[0018] 图4为本发明实施例一提供的实验数据示意图；
[0019] 图5为本发明实施例二提供的一种量子随机数产生方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0021] 本发明实施例涉及使用光子达到时间的随机性来产生真随机数，是一种使用时间 测量和计数甄别技术，无需后处理的物理随机数产生器，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。
[0022] 实施例一
[0023] 图1为本发明实施例一提供的一种量子随机数产生装置的示意图。如图1所示， 该装置主要包括：
[0024] 量子随机数源11，用于输出微弱光探测信号；
[0025] 随机数采样器12,用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路 信号；对A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计 数进行采样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数并输出。
[0026] 进一步的，所述量子随机数源11包括：
[0027] 可调节的发光二极管LED，用于通过调节电压发出弱光源；
[0028] 衰减器，用于对所述弱光源衰减到单光子水平；
[0029] 光电倍增管PMT，用于对所述单光子水平的光源进行探测。
[0030] 进一步的，所述可调节的发光二极管LED包括：可调电阻与LED ;通过调节可调电 阻来改变所述LED的电压，使得所述LED发出稳定的弱光源。
[0031] 进一步的，所述单光子水平的光子数符合泊松分布，一段时间T内产生的光子数X =k的概率表示为：
[0032]
【权利要求】
1. 一种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，用于输出微弱光探测信号； 随机数采样器，用于将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对 A路信号进行时间测量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采 样，当计数值为1时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子随机数源包括： 可调节的发光二极管LED，用于通过调节电压发出弱光源； 衰减器，用于对所述弱光源衰减到单光子水平； 光电倍增管PMT，用于对所述单光子水平的光源进行探测。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可调节的发光二极管LED包括：可调 电阻与LED ;通过调节可调电阻来改变所述LED的电压，使得所述LED发出稳定的弱光源。
4. 根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述单光子水平的光子数符合泊松分布，一 段时间T内产生的光子数X = k的概率表示为：
其中，λ是表征衰减后的光强的参数。
5. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述在固定周期内对Β路信号的计数进行采 样，当计数值为1时，则将Α路信号测得的时间量化值作为随机数包括： 在固定周期内B路信号的计数值为预定值的概率是均匀的，表示为：
其中，W为只在第k个时间量化值内B路信号计数值为1的概率，Μ为在固定周期?；内 Β路信号计数值为1的概率，h为时间的量化单位，Ν为固定周期?；内总的量化数。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述随机数采样器包括： 放大器，用于对输入的微弱光探测信号进行成形放大； 甄别器，用于对放大后的信号进行甄别，在甄别后将信号分割为AB两路； 时间数字转换器TDC，用于对A路信号进行时间测量； 计数器，用于对B路信号进行计数； 数据采样及处理器，用于在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为预定 值时，则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。
7. -种量子随机数产生方法，其特征在于，该方法包括： 输出微弱光探测信号； 将所述微弱光探测信号进行放大和甄别后分割为AB两路信号；对A路信号进行时间测 量，对B路信号则进行计数；并在固定周期内对B路信号的计数进行采样，当计数值为1时， 则将A路信号测得的时间量化值作为随机数。
【文档编号】G06F7/58GK104156194SQ201410413268
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】王坚, 张鸿飞, 谢天宇, 王建民 申请人:中国科学技术大学