一种数据处理后置型的即时真随机信号发生器的制造方法

文档序号:9708038阅读:614来源:国知局
一种数据处理后置型的即时真随机信号发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及随机信号产生技术,更具体地,涉及一种具有高时效性的真随机电信 号生成装置及相应的对随机信号驱动输出的数据后选择方法。
【背景技术】
[0002] 随机数发生器在许多现代科学领域都具有广泛应用一一例如统计分析、数值模 拟、算法设计和信息加密等。随机发生器可分为三类:伪随机数发生器、准随机数发生器与 真随机数发生器。其中伪随机数与准随机数由各类随机数算法生成,前者具有较高的统计 随机性,后者具有较高的统计均匀性。这两种随机数具有不需外部硬件支持,生成速度较高 的优点,但由于生成的随机序列由算法和初值决定,这两类随机数的生成序列原则上可以 预测,本质上并不是完全随机的。在信息安全与信息加密方面,如果采用以上两类随机数对 信息进行加密处理,原则上攻击者可以找到其中的数学规律,从而对密文实施分析破译。不 同于伪随机数与准随机数,真随机数序列的生成基于各种量子随机过程,例如电路噪声、原 子衰变、宇宙射线等。依照量子力学的相关结论,当系统处于某一力学量的量子叠加态时, 对该力学量的测量会令系统随机塌缩至该力学量的某一本征态上,因此对该力学量测量的 结果是完全随机的。所以真随机数具有不可预测的优点。此外,理想的真随机数还应具有不 可重复、无偏等特点。
[0003] 常见的真随机数发生器有以下几种:
[0004] 1.基于光学分束器的随机数发生器[T.Jennewein,et al,Rev.Sci.Intrum.71, 1675(2000)]。其基本原理为当光子通过50:50分束器时,反射和透射的概率均为1/2。将这 两种事件分别计为〇和1,就可以得到一组随机比特序列;
[0005] 2.基于光子到达时间的随机数发生器[M. Wahl et al,Appl·Phys·Lett·98, 171105(2011)]。其基本原理为当相邻两次探测的时间间隔远大于光源的相干时间时,相邻 两次探测到光子之间的时间间隔是完全随机的。将所测得的时间间隔归一化后,可以得到 (〇,1]上的随机数;
[0006] 3.基于激光随机相位噪声的随机数发生器[H.Guo et al,Phys.Rev.E 81,051137 (2010)]。其基本原理为当出射激光之间的时间间隔远大于相干时间时,其之间的相位差可 以认为是完全随机的,因此令激光通过一不等臂的M-Z干涉仪(两臂之间的时间延迟远大于 激光相干时间)后,激光经干涉后的出射路径完全随机。由此可以得到一组随机比特序列。
[0007] 现已有多种商业化的真随机数发生器投入市场,如IDQ公司的QUANTIS产品(基于 光学分束器)、Pic〇Quant公司的PQRNG150产品(基于光子到达时间)等。根据以上各类随机 数发生器方案,在得到初始随机数序列后,为了消除器件实际技术指标与理论技术指标不 符等因素对所得信息随机性的影响,还需要对该序列进行数学后处理过程,以使生成的随 机序列获得理想的统计特性。
[0008] 在量子密钥分配[Kyo Inoue,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12_4,888(2006)]、验证量子非局域性[Simon Gr&blacheret al,Nature 446,871(2007)]等需要实时引入随机性测量或调制的实验中,通常需要真随机电信号来调 控实验仪器。如采用以上真随机数发生器来生成随机信号,意味着需要先得到一组初始随 机序列,然后将该随机序列输入电脑等进行后处理,之后将所得真随机数序列转换为电脉 冲信号输出。由于后处理过程需要一定时间,因此产生随机信号的时效性会大大降低。在这 里,时效性低是指从随机信息生成(即量子塌缩发生时刻,对应前文所述三种真随机数发生 器,相当于光子通过光分束器的瞬间、原子跃迀出射光子瞬间和激光出射瞬间)到随机电信 号输出之间的时间间隔较长。一方面,在量子密钥分配等相关领域,随机信号产生的时效性 越高,就意味着该随机信息泄露的风险性越低;另一方面,在验证量子力学非局域性等实验 中,当随机信号的时效性低于某一阈值时,会产生所谓的非局域漏洞,影响实验结果的可信 度。简单来讲,验证量子力学非局域性的实验需要通过对空间上远离的两个粒子分别进行 某些随机的测量。为使两粒子之间无信息传递(即满足局域性条件),实验中需要保证从随 机信息生成到粒子被测量之间的时间间隔小于该随机信息以光速传播至另一粒子所需的 时间,这就要求随机信号要具有极高的时效性。例如当两粒子相距20m时,要求上述时间间 隔小于67纳秒,而以上真随机数发生器的后处理时间远大于该时间量级。除了时效性低的 问题,将随机数转换为随机电信号输出还需要附加信号发生器,这不仅增加了成本,也降低 了装置集成度。

【发明内容】

[0009] (一)要解决的问题
[0010] 本发明要解决的技术问题是使用现有的真随机数发生器产生随机电信号,需要额 外附加信号发生器,设备集成度不高。而且从随机信息生成到随机电信号输出之间的时间 间隔较长,随机信号生成的时效性较低。
[0011] (二)技术方案
[0012] 为解决上述技术问题,本发明提出一种数据处理后置型的即时真随机信号发生 器,包括一个光源、一个光分束器、两个单光子探测器、两个电分束器、两个信号调制器、一 个随机信号驱动装置、一个数据采集装置和一个数据处理模块;所述光源用于发出光子;所 述光分束器用于将所述光源发出的光子随机地透射或反射;所述两个单光子探测器分别位 于所述光分束器的透射光路和反射光路上,分别用于探测从所述光分束器透射和反射的光 子,并在探测到光子时产生一电脉冲信号;所述两个电分束器分别用于对两个单光子探测 器输出的电脉冲信号进行电分束后,分束后的一路输入所述数据采集装置,另一路分别通 过两个信号调制器中的一个后输入所述随机信号驱动装置;所述两个信号调制器分别用于 对输入的电脉冲信号进行幅度调制,以匹配所述随机信号驱动装置所需电压;所述随机信 号驱动装置用于在所述电脉冲信号的调控下输出运行结果和同步电脉冲信号,并将该同步 电脉冲信号输入所述数据采集装置;所述数据采集装置用于将相关数据输入数据处理模 块;所述数据处理模块用于对数据进行符合处理,以使生成的随机信号获得良好的统计随 机特性。
[0013] 根据本发明的【具体实施方式】,所述光源由LED灯珠、单模光纤、光纤耦合器和可调 光衰减器构成。
[0014] 根据本发明的【具体实施方式】,所述电分束器输出短上升时间、幅度相等的两路电 信号,当单光子探测器输出高电平信号时,经分束后的信号仍为逻辑高电平。
[0015] 4、根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器,其特征在于, 随机信号驱动装置的运行输出结果与输出同步信号之间一一对应。
[0016] 5、根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器,其特征在于, 数据采集装置用于标记各输入端口每个高电平信号的输入时刻。
[0017] 6、根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器,其特征在于, 从光子通过光分束器反射或透射到反射路或透射路信号进入数据采集装置所经时间为T0, 光子通过所述光分束器到随机信号驱动装置输出的对应同步信号进入数据采集装置所经 时间为T1,同步信号所对应的随机信号为延时,即T0-T1时刻的随机信号。
[0018] 根据本发明的【具体实施方式】,所述数据处理模块的符合处理包括:对反射路信号 与透射路信号做选择处理,即先将反射路信号与透射路信号两路信号之间时间间隔小于符 合窗口宽度的信号全部丢弃,再检索同路信号中时间间隔小于符合死时间的信号,并丢弃 除最先产生的信号外的其他信号,最后得到真随机信号。
[0019] 根据本发明的【具体实施方式】,所述数据处理模块的符合处理只保留与选择处理后 剩余真随机信号对应的驱动装置同步信号。
[0020] 根据本发明的【具体实施方式】,所述光分束器由偏振片和偏振分束器构成,光通过 时分别以50 %的概率透射或反射。
[0021] (五)有益效果
[0022] 本发明和现有真随机数发生器相比具有如下优点:
[0023] (1)本发明将信号调制电路集成在随机数发生器后,可直接输出脉冲幅度可调且 脉冲上升时间较短的随机电信号,而不必附加信号发生器。在保证较强驱动性的同时,提高 了装置集成度。
[0024] (2)本发明将数据处理模块置于随机信号驱动装置之后,在保证了信号随机性的 同时大大缩短了随机信息产生与随机信号被使用之间的时间延迟。
[0025] (3)采用商业LE
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