基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器的制作方法

本实用新型涉及量子随机数产生技术领域，尤其涉及一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器。

背景技术：

随机数是一种广泛使用的基础资源，在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多领域都有着广泛而重要的应用。量子随机数发生器的随机性保障源于量子物理原理，相比于传统的伪随机数发生器和噪声源随机数发生器，其随机性来源更加清晰，并可采用最小熵理论严格证明其随机性，因而具有更高的安全性，特别适合对于随机性要求较高的应用场景。

量子随机数发生器，通过对其进行建模，可以估算出原始数据的最小熵，并据此进行随机性提取并得到最终的量子随机数。量子随机数发生器可以有多种方案来实现，例如光子路径选择方案、光子到达时间方案、激光相位波动方案和测量器件无关的量子随机数方案等。然而从实用化的角度来说，量子随机数发生器需要具有体积小、随机数产生速率高、稳定性强的特点。上述方案中，单光子路径选择的方案，其比特率为1Mbps量级；光子到达时间方案，其比特率为100Mbps量级；激光相位波动的方案，比特率可达 50Gbps以上，但是由于此方案中干涉仪的稳定性尤为重要，导致此方案在实用化中体积较大，对振动和温度很敏感，容易在使用中出现问题。在实际应用中，尤其是在下一代高速量子通信系统中，需要随机数速率达到10Gbps以上，并且需要更小的体积和更高的稳定性。

为了解决上述问题，基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器被提了出来，其输出的随机数的速率可达10Gbps以上，可以满足实用化中对高速随机数的需求。硅基光子技术，就是研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术，其核心内容就是研究如何将光子器件小型化、硅片化并与纳米电子器件相集成，但是，目前还没有较为有效的方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，可以大幅度缩小量子随机数系统的体积、提高系统稳定性和输出速率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路；其中：

所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，使用硅基波导技术将光学器件和电子学器件同时集成在一块芯片上，可以大幅度缩小量子随机数系统的体积、提高系统稳定性和输出速率，同时可以降低成本；此外，本方案能够在保证量子随机数的安全性的同时极大地提升应用范围和应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，如图1 所示，其主要包括：依次连接的光源1、随机数芯片2与电子学读出电路3；其中：

所述随机数芯片2包括：光分束器21、第一与第二光衰减器(图1中的22、23)、第一与第二光电探测器(图1中的24、25)以及跨阻放大器26；所述光分束器21的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器22输出端连接第一光电探测器 24，第二光衰减器23输出端连接第二光电探测器25；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器26。

还参见图1，所述光源1包括：连续激光11与真空态光12；所述连续激光11输入光分束器21的一输入端，光分束器21的另一输入端空置，作为真空态光12输入端。

还参见图1，所述电子学读出电路3包括：依次连接的模数转换器31与现场可编程门阵列32。

本实用新型实施例中，使用硅基光子集成技术，将所述光分束器21以及第一与第二光衰减器集成光子集成芯片上，所述第一与第二光电探测器以及跨阻放大器26与所述光子集成芯片集成在一起，构成随机数芯片2。具体的：第一光电探测器24和第二光电探测器25采用定制低噪声高响应度的光电探测器裸片，与高带宽的跨阻放大器26裸片封装在一起，与上述光分束器21、第一光衰减器22、第二光衰减器23一起构成高带宽、小体积、低成本的随机数芯片2，实现片上集成的零差探测器。

本实用新型实施例中，所述光分束器由硅基波导2×2硅基波导2×2多模干涉光分束器(MMI-Multi-Mode Interference，MMI)构成，需通过对硅基波导材料进行模拟和生长工艺摸索，才可以实现稳定的功能。

本实用新型实施例中，所述第一与第二光衰减器结构相同，均由两个1×2MMI构成干涉仪，干涉仪的其中一臂设有一个热光相位调制臂，最终形成可调的光衰减器功能。

本实用新型实施例提供的基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，利用硅基光子集成技术，将整个光学系统和电子学系统高度集成，在降低成本的同时极大地减小了体积，提升了随机数系统的性能。随机数系统中没有其他量子随机数发生器中常用的干涉仪，稳定性大大提升。

图1所示的基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器的工作流程如下：连续激光，输入到随机数芯片中的光分束器的一端，光分束器输入的另一端空置，作为真空态光输入端。光分束器的两个输出端口各有一个光衰减器，光分束器和光衰减器将输入光分成强度比为50/50的两束光，这两束光分别进入两个光电探测器进行光电转换过程；光信号转换成两路的电流信号相减(零差探测)后，进入跨阻放大器(TIA)，将微弱的高频电流信号放大并且转化为电压信号；此电压信号即为量子涨落产生的随机信号，信号进入模数转换器(ADC)并且经过现场可编程门阵列(FPGA)后处理后得到实时产生的量子随机数。

其中，量子涨落存在于相干态光场中，它在振幅和位相上满足最小不确定性原理。此随机数方案本质上就是相干态量子涨落。本实用新型实施例中利用光电探测器对经过光分束器分束后的两路光进行零差探测，随机性得以体现。

需要强调的是，本实用新型要求保护的是光源、随机数芯片与电子学读出电路的结构关系，以及其内部各个元器件之间的结构关系；其中所涉及的各个元器件都可以通过目前已有的硬件来实现；具体来说，光源、模数转换器与现场可编程门阵列都可以直接使用市面上可以直接采购的产品，具体的型号可以根据实际需要来选择。随机数芯片为基于硅基集成技术的专用芯片，包含光分束器、光衰减器、光电探测器和跨阻放大器，通过光电混合集成技术，将上述部分集成在一起。总而言之，上述基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器要求保护的是各硬件之间的结构关系，以及随机数芯片内部的集成设计，所涉及的一些原理性的描述，或者关于流程的介绍仅仅是为了更为清晰的对硬件关系进行介绍。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。