一种量子随机数教学演示装置和演示系统的制作方法

本技术实施例涉及量子信息教学，尤其涉及一种量子随机数教学演示装置和演示系统。

背景技术：

1、随机数是密码学的重要资源之一，不论是对于经典密码学还是量子密码学来说，他们对随机数的随机性要求都非常严格，甚至是直接决定了绝大多数密码体系的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也非常广泛，包括在抽样统计、monte-carlo模拟以及一些计算科学中，都扮演着非常重要的角色。

2、目前，基于产生方法和输出序列的特征，可以将随机数的产生方法分为两大类：伪随机数发生器和物理随机数发生器。其中，伪随机数发生器一般基于预设的数学算法，以系统时刻等可获取的外部信息作为种子，有计算机等一起实现，这种随机数发生器可以以极快的速率稳定输出伪随机数序列，并且由算法保证了输出序列具有一定的统计特性，同时允许输出随机数的速率较快。但也由于伪随机数是基于确定算法产生的，其随机性来源仅为输入种子的随机性，所以当它被频繁使用时，理论上是可以通过对已产生的随机数进行统计分析来进行预测的。

3、而物理类随机数则不同，它的随机性是基于一些非确定性的客观物理现象的随机性，包括了大气噪声，电子噪声，电路抖动等等，这些随机数发生器由探测这些物理现象的结果来产生随机数。同时如果这些物理现象为量子现象时，则将这一类的物理随机数发生器成为量子随机数发生器，这些物理现象则包括真空涨落，相位噪声，辐射衰变等量子物理过程。由于量子物理过程的量子力学内禀随机性，量子随机数被普遍认为具有真随机性，无法被预测，是一种理想的随机数发生器。但由于量子随机数的物理系统相对来说都比较抽象，在实际教学过程中，其物理系统难以演示，学生理解起来会比较困难。

技术实现思路

1、本实用新型提供一种量子随机数教学演示装置和演示系统，可以用来对量子随机数产生的过程进行较为明显的演示，对量子随机数发生器的物理原理进行演示和教学，便于学生理解。

2、根据本实用新型的一方面，提供了一种量子随机数教学演示装置，量子随机数教学演示装置包括：激光驱动器、可见光脉冲激光器、可见光直流激光器、光耦合器、第一光强探测器、第二光强探测器、控制芯片和上位机；

3、所述激光驱动器的第一端和第二端分别与所述可见光脉冲激光器的输入端以及所述可见光直流激光器的输入端连接，所述激光驱动器用于根据所述上位机的控制信号驱动所述可见光直流激光器产生可见光连续光束以及驱动所述可见光脉冲激光器产生相位随机的光脉冲；

4、所述光耦合器用于接收所述可见光连续光束和所述光脉冲，并将所述可见光连续光束和所述光脉冲进行耦合后，向所述第一光强探测器发出第一光强的第一光束，向所述第二光强探测器发出第二光强的第二光束；

5、所述第一光强探测器用于根据所述第一光强产生第一电信号并将所述第一电信号传输至所述控制芯片，所述第二光强探测器用于根据所述第二光强产生第二电信号并将所述第二电信号传输至所述控制芯片；

6、所述控制芯片用于根据所述第一电信号和所述第二电信号产生电平信号并传输至所述上位机，所述上位机用于根据所述电平信号显示结果。

7、可选地，所述可见光连续光束与所述光脉冲对应的可见光脉冲激光光束的频率、振动方向相同。

8、可选地，所述控制芯片包括数据采集与处理单元；

9、所述第一光强探测器的输出端和所述第二光强探测器的输出端分别与所述数据采集与处理单元的第一输入端和第二输入端连接，所述数据采集与处理单元用于根据所述第一电信号和所述第二电信号产生电平信号并将所述电平信号发送至所述上位机；

10、所述数据采集与处理单元的输出端与所述上位机的输入端连接，所述上位机的输出端与所述激光驱动器的输入端连接，所述上位机用于根据所述电平信号显示结果。

11、可选地，所述数据采集与处理单元包括第一转换子单元、第二转换子单元、比较子单元和时钟信号产生子单元；

12、所述第一光强探测器的输出端与所述第一转换子单元的输入端连接，所述第二光强探测器的输出端与所述第二转换子单元的输入端连接，所述第一转换子单元的输出端与所述比较子单元的第一端连接，所述第二转换子单元的输出端与所述比较子单元的第二端连接；

13、所述时钟信号产生子单元与所述比较子单元的第三端连接，所述时钟信号产生子单元用于向所述比较子单元提供时钟信号；

14、所述比较子单元用于根据所述第一电信号和所述第二电信号输出高电平信号或低电平信号，并将所述高电平信号或低电平信号发送至所述上位机。

15、可选地，所述第一转换子单元包括第一跨阻放大器，所述第二转换子单元包括第二跨阻放大器，所述比较子单元包括电压比较器。

16、可选地，所述光脉冲的单脉冲宽度大于或者等于1s。

17、可选地，量子随机数教学演示装置还包括黑色背景板，所述黑色背景板设置于所述光耦合器与所述第一光强探测器以及所述第二光强探测器之间。

18、可选地，量子随机数教学演示装置还包括暗箱，所述暗箱设置于所述光耦合器与所述第一光强探测器以及所述第二光强探测器之间；

19、所述暗箱包括第一观察窗口和第二观察窗口，所述第一观察窗口用于通过所述可见光连续光束，所述第二观察窗口用于通过所述光脉冲。

20、可选地，所述可见光脉冲激光器的工作模式包括增益开关模式或手动触发模式。

21、根据本实用新型的另一方面，提供了一种量子随机数教学演示系统，该量子随机数教学演示系统包括上述一方面中任一所述的量子随机数教学演示装置。

22、本实用新型实施例的技术方案，通过采用可见光激光束作为载体，并通过干涉使得光束形成强弱差异，使得物理过程直观、清晰、可观察性强；并且可以结合装置测量的结果进行对比印证，对量子随机数产生的过程进行较为明显的演示，对量子随机数发生器的物理原理进行演示和教学，便于学生理解，有利于加深学生对量子随机数物理过程的理解，提升了量子学科实验的教学效果与质量。综上所述，本实用新型实施例解决了在实际教学过程中，量子随机数的物理系统比较抽象，其物理系统难以演示导致学生理解困难的问题。

23、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种量子随机数教学演示装置，其特征在于，包括：激光驱动器、可见光脉冲激光器、可见光直流激光器、光耦合器、第一光强探测器、第二光强探测器、控制芯片和上位机；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可见光连续光束与所述光脉冲对应的可见光脉冲激光光束的频率、振动方向相同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制芯片包括数据采集与处理单元；

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据采集与处理单元包括第一转换子单元、第二转换子单元、比较子单元和时钟信号产生子单元；

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一转换子单元包括第一跨阻放大器，所述第二转换子单元包括第二跨阻放大器，所述比较子单元包括电压比较器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光脉冲的单脉冲宽度大于或者等于1s。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括黑色背景板，所述黑色背景板设置于所述光耦合器与所述第一光强探测器以及所述第二光强探测器之间。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括暗箱，所述暗箱设置于所述光耦合器与所述第一光强探测器以及所述第二光强探测器之间；

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可见光脉冲激光器的工作模式包括增益开关模式或手动触发模式。

10.一种量子随机数教学演示系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的量子随机数教学演示装置。

技术总结
本技术公开了量子随机数教学演示装置和演示系统。量子随机数教学演示装置包括激光驱动器、可见光脉冲激光器、可见光直流激光器、光耦合器、第一光强探测器、第二光强探测器、控制芯片和上位机；光耦合器接收可见光连续光束和光脉冲并进行耦合后，向第一光强探测器发出第一光强的第一光束，向第二光强探测器发出第二光强的第二光束；第一光强探测器根据第一光强产生第一电信号并传输至控制芯片，第二光强探测器根据第二光强产生第二电信号并传输至控制芯片，控制芯片根据第一电信号和第二电信号产生电平信号并传输至上位机，上位机根据电平信号显示结果。本技术对量子随机数产生过程进行演示和量子随机数发生器的物理原理进行演示和教学。

技术研发人员：丁禹阳,李泽忠,安雪碧,刘午
受保护的技术使用者：合肥硅臻芯片技术有限公司
技术研发日：20230316
技术公布日：2024/1/14