一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法与流程

本发明属于随机信号源技术领域。具体涉及一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法。

背景技术：

随机数在密码学、通信、仿真等方面有着广泛应用。随机数可分为伪随机数和真随机数。伪随机数一般通过计算机算法和有限长种子序列产生，具有一定周期性和可预测性，一旦掌握运算规律就可轻易破解。真随机数的产生源于从真实物理现象中提取随机信息，产生的随机数具有很高的不确定性和可靠性。目前产生真随机数的物理源有：混沌体系，热噪声，自由运转的振荡器，量子随机过程等。

量子随机数发生器利用物理随机源的量子特性产生随机数。相较于经典随机数，量子随机数的不确定性来源于量子事件中测量坍缩导致的随机性或是真空扰动引进的随机噪声，在保密性要求较高的领域，量子随机数对黑客攻击和信息泄露具有更高的抵抗性和安全性。

Miguel Herrero-Collantes等人于2016年在arXiv上发表了题为“Quantum Random Number Generators”的综述论文[arXiv:/quant-ph 1604.03304v1]，其中概述了目前基于光场产生量子随机数的方法，主要包括：光子计数、衰减脉冲、激光相位噪声、拉曼散射、量子真空起伏、光学参量振荡器等。

Christian Gabriel等人于2010年在Nature Photonics上发表了题为“A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states”的论文[Nat. Photon. 4, 711–715, (2010)]，该工作应用零差检测技术，通过测量真空态的正交振幅分量，获得了量子随机性很强、环境免疫性很高的量子随机数。

理论和实验研究表明，工作于阈值以上的非简并光学参量振荡器所产生的孪生光束具有很强的量子关联特性，它们的强度差噪声低于散粒噪声极限。1987年，法国的Giacobino研究组首次以稳频氩离子激光器作为光源，通过非简并参量下转换将孪生光束之间的强度差噪声功率降低至散粒噪声极限以下30%[Phys. Rev. Lett. 59, 2555-2557, (1987)]；1998年，山西大学光电研究所实验获得了低于散粒噪声基准9.2dB（关联度为88%）的孪生光束[Opt. Lett. 23, 870 (1998)]；2013年，Julien Laurat等人使用半整体腔型的三共振光学参量振荡器，产生出低于散粒噪声极限9.7dB的强度差压缩态光场（孪生光束）[Opt. Lett. 30, 1177-1179, (2005)]；2015年，Avik Dutt等人利用氮化硅微型光学参量振荡器产生低于散粒噪声极限1.7dB的强度差压缩态光场（孪生光束），实现了基于光学芯片的孪生光束的制备[Phys. Rev. Appl. 3, 044005, (2015)]。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法。

本发明所述的一种基于孪生光束产生真随机数的装置是采用以下技术方案实现的：一种基于孪生光束产生真随机数的装置，包括激光器、顺次位于激光器出射光路上的非简并光学参量振荡器以及光学分束系统；还包括探测和信号处理系统；探测和信号处理系统包括第一光电探测器、第二光电探测器以及后续信号处理系统；两个光电探测器分别位于光学分束系统的两个出射光路上；两个光电探测器的信号输出端均与后续信号处理系统的信号输入端相连接；后续信号处理系统向外输出两列具有量子随机性的真随机数或者两列完全关联的真随机数。

所述的激光器输出的泵浦光注入到非简并光学参量振荡器。

所述的非简并光学参量振荡器工作于阈值以上，可输出一对偏振正交的孪生光束，孪生光束的强度噪声完全随机，而且孪生光束之间存在强度关联和量子纠缠。孪生光束经光学分束系统按其自身偏振分为两束光场，采用两个光电探测器对其分别探测。

两个光电探测器经过平衡校准，具有较高的共模抑制比，用两个光电探测器分别探测两束孪生光束的强度噪声，将光信号转化为相应的电信号。强度噪声信号（即光电探测器采集并转换的电信号）经后续信号处理系统，转化为初始的随机数据。通过设置后续信号处理系统中随机数后处理程序的参数，可使装置工作于两种不同模式（模式1和模式2）。在模式1下，通过设置随机数后处理程序的随机数提取率，装置可提取出两列具有量子随机性的真随机数并输出；在模式2下，通过设置随机数后处理程序，对初始的随机数据后选择，再经随机数后处理程序处理，装置可提取出两列完全关联的真随机数并输出。

进一步的，后续信号处理系统包括信号源、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及一个数据采集和后处理系统；所述信号源分别与两个混频器的信号输入端相连接；第一光电探测器的信号输出端与第一混频器的信号输入端相连接；第二光电探测器的信号输出端与第二混频器的信号输入端相连接；第一混频器的信号输出端与第一低通滤波器的信号输入端相连接，第二混频器的信号输出端与第二低通滤波器的信号输入端相连接；两个混频器的信号输出端均与数据采集和后处理系统的信号输入端相连接。

本发明所述的一种基于孪生光束产生真随机数的方法（即产生两列具有量子随机性的真随机数的方法）是采用以下技术方案实现的：一种基于孪生光束产生真随机数的方法，激光器输出的泵浦光注入到非简并光学参量振荡器，非简并光学参量振荡器工作于阈值以上，可输出一对偏振正交的孪生光束，孪生光束经光学分束系统按其自身偏振分为两束光场，两个光电探测器分别探测两束孪生光束的强度噪声，并将孪生光束的强度噪声转换为相应的强度噪声电信号后输入至后续信号处理系统，强度噪声电信号与信号源输出的本地信号混频滤波，经数据采集和后处理系统，转化为初始的随机数据。通过设置数据采集和后处理系统内设的随机数后处理程序，使装置工作于模式1下。在模式1下，通过设置随机数后处理程序的随机数提取率，使之与随机数序列的最小熵相等，经随机数后处理程序处理，装置可提取出两列具有量子随机性的真随机数并输出。

本发明所述的一种基于孪生光束产生真随机数的方法（即产生两列完全关联的真随机数的方法）是采用以下技术方案实现的：一种基于孪生光束产生真随机数的方法，激光器输出的泵浦光注入到非简并光学参量振荡器，非简并光学参量振荡器工作于阈值以上，可输出一对偏振正交的孪生光束，孪生光束经光学分束系统按其自身偏振分为两束光场，两个光电探测器分别探测两束孪生光束的强度噪声，并将孪生光束的强度噪声转换为相应的强度噪声电信号后输入至后续信号处理系统，强度噪声电信号与信号源输出的本地信号混频滤波，经数据采集和后处理系统，转化为初始的随机数据。通过设置数据采集和后处理系统内设的随机数后处理程序，使装置工作于模式2下。在模式2下，通过设置随机数后处理程序，随机数后处理程序先对采集的初始的随机数据后选择，筛选出两列数据中相同的比特，再经随机数后处理程序处理，装置可提取出两列完全关联的真随机数并输出。

本发明提供的基于孪生光束产生真随机数的装置及方法与同类方法相比有以下优点：

1.本发明选用孪生光束作为随机源，只利用一个非简并光学参量振荡器，可同时产生两列具有量子随机性的真随机数；

2.相较于一般的随机数发生器，本发明直接探测孪生光束的强度噪声产生真随机数，强度噪声容易获取且产码率较高；

3.本发明直接对光场强度探测，通过一个光电探测器即可获取一列随机数据，很大程度上简化了测量装置，成本较低；

4.本发明可工作于两种模式（模式1，模式2）。工作于模式1下，可同时产生两列具有量子随机性的真随机数；工作于模式2下，通过对初始的随机数据后选择，可同时产生两列完全关联的真随机数。在关联系统的仿真，保密通信，量子计算等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1、本发明所述的一种基于孪生光束产生两列真随机数的装置的结构示意图之一。

图2、本发明所述的一种基于孪生光束产生两列真随机数的装置的结构示意图之二。

图3、本发明产生的两列强度噪声信号随时间的变化曲线，其中(a)，(b)分别为探测器7A，7B产生的强度噪声信号随时间的变化曲线。

图4为探测器7A和7B产生的强度噪声信号随时间的变化曲线。

图5为本发明在工作模式1下产生的两列真随机数的随机性检测结果。

图6为本发明在工作模式2下产生的两列真随机数的随机性检测结果。

1-激光器，2-非简并光学参量振荡器，3-光学分束系统，4-探测和信号处理系统，5-半波片，6-棱镜，7A-第一光电探测器，7B-第二光电探测器，8-后续信号处理系统，9-KTP晶体，10-凹面镜，11-信号源，12A-第一混频器，12B-第二混频器，13A-第一低通滤波器，13B-第二低通滤波器，14-数据采集和后处理系统。

具体实施方式

一种基于孪生光束产生真随机数的装置，包括激光器1、顺次位于激光器1出射光路上的非简并光学参量振荡器2以及光学分束系统3；还包括探测和信号处理系统4；探测和信号处理系统4包括第一光电探测器7A、第二光电探测器7B以及后续信号处理系统8；两个光电探测器分别位于光学分束系统3的两个出射光路上；两个光电探测器的信号输出端均与后续信号处理系统8的信号输入端相连接；后续信号处理系统8向外输出两列具有量子随机性的真随机数或者两列完全关联的真随机数。

后续信号处理系统8包括信号源11、第一混频器12A、第二混频器12B、第一低通滤波器13A、第二低通滤波器13B以及一个数据采集和后处理系统14；所述信号源11分别与两个混频器的信号输入端相连接；第一光电探测器7A的信号输出端与第一混频器12A的信号输入端相连接；第二光电探测器7B的信号输出端与第二混频器12B的信号输入端相连接；第一混频器12A的信号输出端与第一低通滤波器13A的信号输入端相连接，第二混频器12B的信号输出端与第二低通滤波器13B的信号输入端相连接；两个混频器的信号输出端均与数据采集和后处理系统14的信号输入端相连接。

所述的非简并光学参量振荡器2包括KTP晶体9和凹面镜10。

所述的光学分束系统3包括顺次位于非简并光学参量振荡器2出射光路上的半波片5和棱镜6；第一光电探测器7A位于棱镜6的透射光路上，第二光电探测器7B位于棱镜6的反射光路上。

所述的激光器1为Nd：YAP/LBO激光器，可输出中心波长为540nm的激光作为泵浦光，注入到非简并光学参量振荡器2。

所述的非简并光学参量振荡器2包括一个α切割的II类KTP晶体9和一个凹面镜10。腔型采用半整体腔结构，从而减少一个腔镜，降低额外损耗。KTP晶体9的前表面镀T=3%@540nm和1080nm全反的反射膜（与所用激光的波长有关），作为输入耦合镜；凹面镜10镀T=12.5%@1080nm和540nm全反的反射膜，作为输出耦合镜，固定在一个压电陶瓷上，用于锁定非简并光学参量振荡器2到共振腔长。540nm泵浦光经过KTP晶体9入射到谐振腔内，在腔内环形一周后，从凹面镜10出射。当非简并光学参量振荡器2工作于阈值以上，可输出一对偏振正交的孪生光束，孪生光束的强度噪声完全随机，而且孪生光束之间存在强度关联和量子纠缠。

所述的光学分束系统3包括半波片5和棱镜6。孪生光束通过半波片后偏振方向发生旋转。当孪生光束偏振面相对于棱镜投射方向夹角为22.5度，两个光电探测器输出的光电流相减后对应散粒噪声基准；当孪生光束偏振面相对于棱镜投射方向夹角为0度，孪生光束经过光学分束系统3后按其自身偏振分为两束光场，利用两个光电探测器分别测量两束光场的强度噪声，两个光电探测器输出的光电流相减后对应孪生光束的强度差噪声。

两个光电探测器采用的光电管为FD500W，经过平衡校准，具有较高的共模抑制比。用两个光电探测器分别探测两束孪生光束的强度噪声，将光信号转化为电信号。混频器为Mini-Circuits公司生产的集成电子器件，型号为ZAD-6+。低通滤波器的截止频率为300kHz。两个光电探测器输出的交流信号与信号源11输出的4MHz本地信号经混频器进行混频，混频信号分别经低通滤波器滤除高频信号，从而提取出3.7MHz~4.3MHz的强度噪声信号。数据采集和后处理系统14包括NI 5153高速数据采集卡和随机数后处理程序。NI 5153高速数据采集卡以10MHz采样率对强度噪声信号进行采样，并将采样点转化为8比特的二进制码，从而得到两列初始的随机数据。

随机数后处理程序采用SHA-512单程哈希函数。通过设置随机数后处理程序，使装置工作于两种不同模式（模式1，模式2）。

在工作模式1下，随机数后处理程序将初始的随机数据按特定长度划分为多个子段，子段长度通过计算随机数序列的最小熵得到，从而可以设置随机数后处理程序的随机数提取率，使之与随机数序列的最小熵相等。各子段作为SHA-512函数的输入值，经SHA-512函数滤除经典噪声，最终提取出两列具有量子随机性的真随机数并输出。

在工作模式2下，通过设置随机数后处理程序，随机数后处理程序先对采集的初始的随机数据后选择，筛选出两列数据中相同的比特，作为SHA-512函数的输入值，经SHA-512函数处理，最终提取出两列完全关联的真随机数并输出。

图3给出本发明产生的两列强度噪声信号随时间的变化曲线，其中(a)，(b)分别为探测器7A，7B产生的强度噪声信号随时间的变化曲线，图4为探测器7A和7B产生的强度噪声信号随时间的变化曲线。可以看出两列信号具有较高的关联特性。实验中测得孪生光束的强度量子关联噪声低于相应的散粒噪声基准5.9 dB,对应于两列噪声信号的关联度约为74.3%。如果提高孪生光束的强度量子关联噪声，即可提高这两列噪声信号的关联度。

我们采用检验随机性通用的NIST-STS统计检验包对两种工作模式（模式1，模式2）下得到的两列真随机数分别进行检测，来判断随机数序列的质量。模式1的检测结果如图5，输出的两列具有量子随机性的真随机数通过了NIST-STS统计检验包的15项测试标准，证明采用我们所提出的装置和方法能够产生两列具有量子随机性的真随机数；模式2的检测结果如图6，输出的两列完全关联的真随机数通过了NIST-STS统计检验包的15项测试标准，且两列随机数的检测结果相同，证明采用我们所提出的装置和方法能够产生两列完全关联的真随机数。