一种源无关量子随机数发生器的制作方法

本实用新型涉及量子通信技术领域，特别涉及一种源无关量子随机数发生器。

背景技术：

现如今量子保密通信技术在数据传输安全方面有着明显的优势，并已经逐渐实用化。其中随机数的使用保证了在很多领域内的安全通信，这也引起科学家们的广泛关注。在密码学中，安全的随机数输入是安全通信的基础，根据定义，计算机方式产生的随机数是伪随机数，强大的远程相关性存在潜在破坏加密通信安全的危险，为解决这一问题，近年来科学家们致力于量子随机数发生器的研究，并制作方案陆续提出，并已逐渐商业化。

但量子随机数发生器也会存在安全漏洞，通常理想情况下认为源是理想单光子源，但若源出现故障或源所发的量子信号被经典信号代替，那么最终输出的随机数将不再是真随机数。为解决上述问题，申请号为201410449817.7的中国专利申请提出一个可以允许信号高衰减的源无关的量子随机数发生器方案，可以在不相信源的情况下产生真随机数。该源无关量子随机数的产生方法，接收端接收源发出的光子信号转化为等价的单光子信号，对单光子信号进行X基矢或Z基矢调制并进行投影测量。根据Z基矢测量结果计算误码率，根据X基矢测量结果进行后处理后获得完全随机二进制串。

但根据X基矢测量结果获得完全随机二进制串成码率不高，而且计算以及模型设计复杂。

技术实现要素：

本实用新型提供一种源无关量子随机数发生器，能够产生由量子力学保证的真随机数，针对现有技术问题改进了误码率计算模块与量子随机数生成模块的连接关系，并提供了有关发送端和接收端内部光路的改进。

一种源无关量子随机数发生器，包括相互匹配的发送端和接收端，所述接收端包括：

分束模块，接收来自发送端的光脉冲并分为两路输出；

Z基矢时间探测模块，用于接收分束模块的第一路输出进行Z基矢时间探测；

采集处理模块，用于采集所述Z基矢时间探测的结果并生成量子随机数；

干涉模块，用于接收分束模块的第二路输出，经干涉后输出；

X基矢相位探测模块，用于接收干涉模块的输出并进行X基矢相位探测；

误码检测模块，用于采集所述X基矢相位探测的结果并计算误码率。

本实用新型中对于源无关量子随机数发生器，不对源做任何假设(即源无关)，通过分束模块随机的改变测量基矢，可以根据Z基矢时间探测结果来获得部分随机二进制串，获取部分随机二进制串的最小熵，进行后处理以得到完全随机的二进制串(根据误码率的结果相应的扣除敌对方获取的部分，进而得到量子随机数)。

本实用新型中应用X基矢相位探测结果计算误码率进而衡量有多少密钥信息被他人获取。误码率为：探测响应错误的次数/测量的总次数。

在接收端进行Z基矢时间探测时，根据一测量就塌缩原理，光脉冲对的单光子(单光子处于光脉冲对的叠加状态)会塌缩到其中任一光脉冲中，这样根据所探测到时间前后来实现完全随机的二进制串的获取。由于光脉冲对中两个光脉冲的相位差恒定为0，进行X基矢相位探测时通过干涉可获得两路输出，除相位差为0的一路单独响应外，其他情况均可视为误码，因此通过简单的计数累加就可以计算误码率。

由于制备的光脉冲对相位差为0，因此在发送端可以基于普通激光器而不需要额外的相位调制设备，简化了系统并降低成本。当然在发送端本实用新型还提供了有关光源的其他改进方案。

当然若在发送端制备光脉冲对相位差不为0，但保持恒定，而在接收端利用相同原理进行探测可视为等同的变形，但很明显会增加成本和设备的复杂。所述发送端用于生成基于单光子的相位差为0的光脉冲对，具体包括：

单光子光源，用于发送单光子脉冲；

不等臂干涉仪，所述单光子脉冲经该不等臂干涉仪，生成所述光脉冲对。

由于需要制备光脉冲对，因此采用不等臂干涉仪的方式生成两列脉冲，其中一列经延时后与另一列叠加，关于不等臂干涉仪延时的时长一般满足：延时时长小于光源发出的光脉冲的周期时长。

可选的，所述不等臂干涉仪为不等臂马赫曾德干涉仪，或不等臂迈克尔逊干涉仪。

可选的，所述单光子光源为发射单光子脉冲的激光器，或包括发射多光子脉冲的激光机以及将所述多光子脉冲转换为单光子脉冲的衰减器。

在选用其他类型激光器时同理，根据具体情况选用衰减器，以获得单光子脉冲。

作为进一步的优选，发送端的不等臂马赫曾德干涉仪中，长臂以及短臂的输入、输出端通过分束器耦合，处在输出端一侧的分束器为保偏偏振分束器。

为了在发送端生成基于单光子的相位差为0的光脉冲对，本实用新型还提供光源的改进，作为优选，所述发送端采用相位调制光源，所述相位调制光源包括相位制备激光器和脉冲产生激光器：

所述相位制备激光器用于产生长脉冲并注入脉冲产生激光器；

所述脉冲产生激光器受激发产生相位差为0的短脉冲对。

所述的“长脉冲”、“短脉冲对”是根据两者脉冲波形的相对概念，并不对其脉冲的绝对长短构成限定，获得的所述短脉冲对，即为所述基于单光子的相位差为0的光脉冲对。

作为优选，为了优化光路，所述相位调制光源还设有三个端口的光纤环形器，所述相位制备激光器产生的长脉冲输入第一端口并经过第二端口进入脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器产生的短脉冲对输入第二端口并经过第三端口输出。

在接收端，所述干涉模块为不等臂干涉仪。

作为优选，接收端与发送端中，不等臂干涉仪的臂长差相等。

作为优选，在接收端，所述不等臂干涉仪为不等臂马赫曾德干涉仪，或不等臂迈克尔逊干涉仪。

作为进一步的优选，接收端的不等臂马赫曾德干涉仪中，长臂以及短臂的输入、输出端通过分束器耦合，处在输入端一侧的分束器为保偏偏振分束器。

所述Z基矢时间探测模块为一单光子探测器。

所述干涉模块具有两条输出光路，分别输出不同的干涉结果；所述X基矢相位探测模块包括两个单光子探测器，分别连接对应的一条输出光路。

作为优选，所述X基矢相位探测模块包括一个单光子探测器，干涉模块的两条输出光路通过光路元件复用该同一单光子探测器。

作为优选，两条输出光路基于时分复用方式复用该同一单光子探测器。具体设置时可在其中一条输出光路上增加适宜的延时线。

作为进一步的优选，所述Z基矢时间探测模块、以及X基矢相位探测模块为同一单光子探测器；所述分束模块的第一路输出、以及干涉模块的两条输出光路通过光路元件复用该同一单光子探测器。

同理，分束模块的第一路输出、以及干涉模块的两条输出光路基于时分复用方式复用该同一单光子探测器。具体设置时可在至少两条光路上增加适宜的延时线。

Z基矢时间探测时，光脉冲到达单光子探测器后，单光子探测器内部的雪崩光电二极管会将单光子信号转换成电信号，电信号进入电脉冲甄别器，将甄别出单光子脉冲和噪声脉冲，单光子电脉冲进入限幅放大器，限幅放大器把电脉冲限制在一定幅值的TTL电平信号，经过相应计数器计数即可。

X基矢相位探测时，在两个单光子探测器后加相应的符合测量，而后经过相应器件计算误码率。

所述误码检测模块包括依次对所述X基矢相位探测的结果进行相应处理的符合测量模块和误码率计算模块。

作为优选，所述误码检测模块包括依次对所述X基矢相位探测的结果进行相应处理的甄别器、限幅放大器、符合测量模块和误码率计算模块。

误码检测模块中各部分就其自身而言可采用现有技术。

符合测量模块具体用于实现两个探测器的同时记录。

误码率计算模块根据不同信号来源的响应情况，统计误码，信号来源即对应干涉模块的两条输出光路，其中一条对应相位差为pi，另一条对应相位差为0，误码检测模块检测仅相位差为0的输出光路有响应时为正确码，而以下几种情况均视为误码：

只有相位差为pi的输出光路有响应；

相位差为0、相位差为pi的输出光路均有相应；

相位差为0、相位差为pi的输出光路均无相应。

本实用新型在发送端无需主动调制即可实现接收端的被动非平衡基矢的调制，接收端对单光子信号进行X基矢或Z基矢探测。根据Z基矢时间探测结果进行后处理后获得完全随机二进制串，具有更稳定的成码率；根据X基矢相位探测结果计算误码率进而衡量有多少密钥信息被他人获取，进一步提高安全性。

附图说明

图1为实施例1的源无关量子随机数发生器的结构示意图；

图2为实施例3的源无关量子随机数发生器的结构示意图；

图3为实施例4的源无关量子随机数发生器的结构示意图；

图4为实施例5的接收端的结构示意图；

图5为实施例6的接收端的结构示意图；

图6为实施例7的接收端的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本实施例源无关量子随机数发生器包括相互匹配的发送端和接收端。

本实施例在发送端利用不等臂马赫曾德干涉仪的方式产生两个具有相位差为0的光脉冲，激光器1发出的光脉冲输入第一不等臂MZI模块(不等臂马赫曾德干涉仪)，经分束器2后分别走长短臂，长臂一路设有延时线4，再通过分束器3两路光脉冲叠加，形成基于单光子的相位差为0的光脉冲对。

在接收端，包括通过分束器5将来自发送端的光脉冲分为两路，一路输入作为Z基矢时间探测模块的单光子探测器9再经采集处理模块12生成量子随机数；

另一路进入第二不等臂MZI模块(不等臂马赫曾德干涉仪)，经分束器6后分别走长短臂，长臂一路设有延时线7，再通过分束器8两路光脉冲干涉后进入分别进入X基矢相位探测，具体为单光子探测器10和单光子探测器11，之后再输入误码检测模块13计算误码率。

进行Z基矢时间探测时，来自发送端的单光子处于两个光脉冲的叠加状态，根据一测量就塌缩原理，单光子探测器9探测单光子会使单光子塌缩到其中任一光脉冲中，这样根据所探测到时间前后来实现完全随机的二进制串的获取。

采集处理模块12包括电脉冲甄别器、限幅放大器、计数器，光脉冲到达单光子探测器后，单光子探测器内部的雪崩光电二极管会将单光子信号转换成电信号，电信号进入电脉冲甄别器，将甄别出单光子脉冲和噪声脉冲，单光子电脉冲进入限幅放大器，限幅放大器把电脉冲限制在一定幅值的TTL电平信号，经过计数器计数即可得到随机的二进制串。

进行X基矢相位探测时，发送端发送的两个光脉冲在分束器8处发生干涉，相位差为0则到达单光子探测器10，相位差为pi则到达单光子探测器11。

误码检测模块13包括依次对所述X基矢相位探测的结果进行相应处理的甄别器、限幅放大器、符合测量模块和误码率计算模块。甄别器和限幅放大器的原理可参见采集处理模块12中的描述。

符合测量模块具体用于实现两个探测器所探测结果的同时记录，随后误码检测模块检测两路光路的响应情况计算误码率。

因为发送端所制备的两个脉冲的相位差恒定为0，因此除去只有单光子探测器10有响应外的所有情况，判定为响应错误，误码检测模块13通过多次测量，计算误码率。

实施例2

结合图1，本实施例相对于实施例1将分束器3和分束器6换为保偏偏振分束器，保偏偏振分束器的特性是保偏偏振分束器的尾纤为保偏光纤，且保偏偏振分束器的反射端口内嵌一90度旋转器。

发送端激光器发出的光脉冲经过分束器2后分为两路光脉冲。一路走长臂连接分束器3的反射端口，偏振旋转90度后反射输出垂直偏振光脉冲(|V>)。一路走短臂经分束器3的透射端口输出水平偏振光脉冲(|H>)。

两束光脉冲在接收端到达分束器6时，垂直偏振光脉冲(|V>)走短臂经分束器6反射经反射端口内嵌90度旋转器偏振旋转90度变为水平偏振光脉冲(|H>)传输至分束器8，水平偏振光脉冲(|H>)走长臂经分束器6透射到达分束器8，两束光脉冲在分束器8处发生干涉。

其余处理过程可参见实施例1的描述，本实施例的优点在于使用保偏偏振分束器，干涉效率是实施例1的两倍。

实施例3

参见图2，本实施例主要采用光注入的思想产生两个具有相位差为0的光脉冲，在发送端应用相位调制光源，接收端图中各元件以及流程可以参照实施例1。

相位调制光源由两个激光器和一个环形器组成，两个激光器分别为相位制备激光器15以及脉冲产生激光器14。

以下结合与实施例1的不同，重点描述发送端两种生成光脉冲的方法。

方法一：

首先调制两个激光器的触发电信号，使两个激光器各自发射等间隔的均匀脉冲序列，同时调整两脉冲序列的周期，使相位制备激光器发出的每个长脉冲在时序上都包含脉冲产生激光器发出的一对短脉冲。

相位制备激光器预调相位的长脉冲经环形器的a端口输入，b端口输出至脉冲产生激光器，使脉冲产生激光器触发的一对短脉冲相位差为一对相位差为的短脉冲由环形器的b端口输入，c端口输出。即环形器的c端口作为相位调制光源的输出端口。

相位制备激光器预调相位的长波长的实现方式如下：调制相位制备激光器的触发电信号，在电信号中间位置一定持续时间内引入ΔU的电压扰动，电信号的扰动改变了光频率，光频差导致长脉冲前后未被调制的部分相位差ΔU与呈线性关系，通过设置ΔU可将调制为任意值。其中应该注意的是，为了将纯净的相位差传递到两个短脉冲间，将电信扰动的持续时间对准脉冲产生激光器的触发电信号间隔，即关闭脉冲产生激光器对长脉冲此处的增益，使的最终只有长脉冲前后未被调制的部分在光注入时起到调制作用，在脉冲激光器内激发两个不可分辨的短脉冲且两个短脉冲的相位差为

本实施例通过对相位制备激光器触发电信号的调制，实现相位调制光源的调相过程，我们通过调制ΔU实现相位制备激光器预调相位的长脉冲经环形器的b端口输出至脉冲产生激光器，使脉冲产生激光器触发的一对短脉冲相位差为而后经过环形器的c端口输出。

方法二：

调制相位制备激光器的直流电压使相位制备激光器发送连续光并注入脉冲产生激光器；调制脉冲产生激光器使脉冲产生激光器发射等间隔的均匀脉冲序列。

相位制备激光器发送连续光经环形器的a端口输入，b端口输出至脉冲产生激光器，使脉冲产生激光器触发的一对短脉冲相位差为一对相位差为的短脉冲由环形器的b端口输入，C端口输出。即环形器C端口作为相位调制光源的输出端口。

两种方法生成的光脉冲输入到接收端后，可参照实施例1进行相应后续处理。

实施例4

相对于实施例1，本实施例的不同之处在于发送端采用不等臂迈克尔逊干涉仪产生两个具有相位差为0的光脉冲。

参见图3并结合图1有关接收端的相关说明，激光器17发出的光脉冲经过分束器19后分为两路：

一路走长臂到达90度旋转法拉第反射镜18，偏振旋转90度后沿原路返回到达分束器19，再输出至接收端。

另一路走短臂到达90度旋转法拉第反射镜20，偏振旋转90度后沿原路返回到分束器19。再输出至接收端。

本实施例应当保证不等臂迈克尔逊干涉仪与接收端一侧的不等臂马赫曾德干涉仪的臂长差相等，以保证最后进行X基矢相位探测过程中，两脉冲干涉的产生，且相位差恒为0。

实施例5

相对于实施例1，本实施例的不同之处在于接收端采用不等臂迈克尔逊干涉仪，同时保证发送端的不等臂马赫曾德干涉仪的臂长差与接收端不等臂迈克尔逊干涉仪的臂长差相等，进而发生干涉，且相位差为0。本实施例的接收端还可以与其他实施例的发送端相结合。

参见图4并结合图1有关接收端的相关说明，在进行X基矢相位探测时，两束光脉冲发生干涉，相位差为0则到达单光子探测器10，相位差为pi则经过环形器21到达单光子探测器11。因为两个脉冲的相位差恒定为0，因此除去只有单光子探测器10有响应外的所有情况，均判定为响应错误，通过多次测量，可计算误码率。

实施例6

参见图5并结合图1有关接收端的相关说明，相对于实施例1，本实施例的不同之处在于发送端进行X基矢相位探测的两个单光子探测器用一个单光子探测器11代替(同理也可省略单光子探测器11而保留单光子探测器10)，这样将降低成本。

进行X基矢相位探测时，两个光脉冲在分束器8处发生干涉，若相位差为0则经分束器22到达单光子探测器11，若相位差为pi则经延时线23、分束器22到达单光子探测器11。

本实施例的改进方式在于采用两个时刻来区分不同相位差达到单光子探测器11。在单光子探测器11的前面加一个同步时间信号，探测到达时间。若无延时则相位差为0到达单光子探测器11，若有延时则相位差为pi到达单光子探测器11。本实施例的改进方案还可以与其他实施例相结合。本实施例所采用的误码检测模块13是根据到达时间不同来实现测量和计算误码率的功能。

实施例7

参见图6并结合图1，图5有关接收端的相关说明，相对于实施例1，本实施例的不同之处在于发送端仅采用一个单光子探测器11(同理也可仅保留单光子探测器9或单光子探测器10)，这样将进一步降低成本。

进行Z基矢时间探测的光脉冲经延时线24到达分束器25，经反射输出至单光子探测器11。

进行X基矢相位探测时，两个光脉冲在分束器8处发生干涉，若相位差为0则经分束器22、分束器25到达单光子探测器11，若相位差为pi则经延时线23、分束器22、分束器25到达单光子探测器11。

单光子探测器11输出至采集处理模块26，其也包括含了误码检测模块的功能，可同时进行符合测量和计数，由于是基于时分复用，因此根据到达时间不同，分别实现不同时刻的采集处理以及误码检测的功能。

本实施例的改进方案在于采用四个时刻来区分(时间探测的信号光分两个时刻前后到达以进行区分，相位探测的信号光也分为两个时刻前后到达以进行区分)不同基矢下的探测，本实施例也可同上述其他有实施例相结合。