一种基于室温单光子源的真随机数产生方法及装置与流程

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种基于室温单光子源的真随机数产生方法及装置。

背景技术：

随机数作为科研和工程中的一种基础资源，在仿真和密码学中具有重要的应用意义。在量子力学中，物理系统的内禀随机性就可以作为具有真随机性的熵源。在真随机数发生器方案中，首先将一个量子系统的状态制备为一个叠加态，例如单电子的自旋叠加态，单光子的偏振叠加态等，再通过测量破坏掉量子叠加态的相干性，则可以相应地获得测量结果的真随机性。光量子系统中存在的各种各样的具有内在随机特性为量子随机数的产生方案提供了众多选择。实现这些方案的真随机数发生器的一个关键技术就是制备单光子源。目前大多真随机数方案都是利用衰减激光脉冲的弱相干态代替单光子态。激光脉冲的光子数呈泊松分布，通常一个平均光子数为0.1左右的弱相干态才算是一个单光子态，因此这种利用衰减激光脉冲制备单光子的方案无法同时兼顾激光脉冲的高光子计数率和单光子特性。所以亟需一种手段，解决真随机数产生速率和质量受量子光源性能影响的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于室温单光子源的真随机数产生方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于室温单光子源的真随机数产生装置，包括单光子源、投影测量装置、时间数字转换器和随机数生成装置；

所述单光子源用于产生具有反聚束性质的单光子；

所述投影测量装置用于测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号；

所述时间数字转换器用于根据所述电脉冲信号的到达时间和通道编号，产生时间序列信号；

所述随机数生成装置用于根据时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述单光子源包括激光共聚焦显微系统和样品，所述激光共聚焦显微系统包括激光器、耦合透镜、光纤、光纤接头转接件、聚焦透镜、二向色镜、滤光片、物镜和位移台；

所述激光器产生的激光依次通过耦合透镜、光纤、光纤接头转接件和聚焦透镜进行准直扩束后，经过二向色镜反射，并经过物镜聚焦在样品上，样品的色心被激发，发出单光子，单光子被物镜收集一部分，经二向色镜透射后，通过滤光片输出；位移台用于负载样品精确运动。

进一步的，所述投影测量装置包括分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述投影测量装置利用分束器以及放置在分束器的输出端口后的第一单光子探测器和第二单光子探测器，对处于路径叠加态的单光子在路径自由度进行投影测量，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号；

或者，所述投影测量装置包括起偏器、偏振分束器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；所述投影测量装置利用起偏器和偏振分束器使单光子形成垂直偏振和平行偏振的偏振叠加态，利用放置在偏振分束器的输出端口后的第三单光子探测器和第四单光子探测器对单光子在偏振自由度进行投影测量，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号；

或者，所述投影测量装置包括阵列单光子探测器；所述投影测量装置利用阵列单光子探测器对单光子进行探测，阵列单光子探测器的一部分阵元的输出并联在一起，形成一个输出端；其余阵元的输出并联在一起，形成另一个输出端，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号；

或者，所述投影测量装置包括第五单光子探测器；所述投影测量装置利用第五单光子探测器对处于产生时间混态的单光子在时间自由度进行投影测量，产生在时间上随机分布的电脉冲信号。

进一步的，所述样品的色心为氮化镓晶体中的空位缺陷、金刚石晶体中的siv色心、碳化硅晶体中的硅空位色心或者碳化硅晶体中的双空位色心。

进一步的，所述位移台包括电动纳米位移台和粗调位移台，所述电动纳米位移台位于粗调位移台上。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于室温单光子源的真随机数产生方法，包括以下步骤：

利用单光子源产生具有反聚束性质的单光子；通过投影测量装置测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号；利用时间数字转换器根据所述电脉冲信号到达时间和通道编号，产生时间序列信号；利用随机数生成装置根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数。

进一步的，利用单光子源产生具有反聚束性质的单光子的步骤，包括：利用激光共聚焦显微系统激发、定位样品中的色心，并收集样品中色心发射的具有反聚束特性的单光子。

进一步的，通过投影测量装置测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号的步骤，包括：利用所述投影测量装置对在路径、偏振、空间或者时间自由度上处于的相干叠加态或者混态的单光子进行探测，从而使单光子由于内禀随机性从叠加态或者混态随机坍缩至不同的投影测量基上，输出在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号。

进一步的，利用随机数生成装置根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数的步骤，包括：随机数生成装置按照所述时间序列信号中每一个数值中包含的电脉冲信号到达时间顺序，判断每一个数值中包含的通道号信息，如果是通道1，则产生“0”；如果是通道2，则产生数字“1”，从而产生按顺序排列的真随机数。

进一步的，所述利用时间数字转换器根据所述电脉冲信号到达时间和通道编号，产生时间序列信号；利用随机数生成装置根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数的步骤，包括：时间数字转换器根据输入的电脉冲信号的到达时间，产生并输出时间序列信号{tn,n＝1,2….m}，其中m为时间数字转换器中输入的电脉冲的个数；时间序列信号中的每一个数值tn编码了时间数字转换器中输入的第n个电脉冲信号的到达时间tn，当时间序列信号进入随机数产生装置时，该装置按照n从小到大的顺序，计算ti中编码的时间ti与ti-1中编码的时间ti-1的差τi，以及ti-1中编码的时间ti-1与ti-2中编码的时间ti-2的差τi-1，i＝3,4…n，判断τi与τi-1的相对大小，如果τi小于τi-1，则生成随机数“0”；如果τi大于等于τi-1，则生成随机数“1”，从而产生按顺序排列的真随机数；

或者时间数字转换器根据输入的电脉冲信号的到达时间，产生并输出时间序列信号{tn,n＝1,2….m}，其中m为时间数字转换器中输入的电脉冲的个数；时间序列信号中的每一个数值tn编码了时间数字转换器中输入的第n个电脉冲信号的到达时间tn，随机数产生装置根据时间数字转换器输出的时间序列信号，产生p个时间窗口(μi-δt/2,μi+δt/2)，其中i＝1,2,…p,μi为时间窗口的中心位置，δt为每个时间窗口的宽度，μi-δt/2大于序列{tn,n＝1,2….m}中的最小值，μi+δt/2小于序列{tn,n＝1,2….m}中的最大值，随机数产生装置计算序列{tn,n＝1,2….m}中位于第p和p+1个时间窗口中的元素的个数qp和qp+1，其中，p＝1,2,…p-1，如果qp+1大于qp，则生成随机数“0”，如果qp+1小于qp，则生成随机数“1”，从而产生按顺序排列的真随机数。

本发明的有益效果是：本发明所公开的一种基于室温单光子源的真随机数产生方法及装置中制备的高亮度反聚束单光子源，与现有真随机数产生方案中使用的具有泊松光子分布的弱相干光源相比，在保证了高的光子产生速率的同时，能更好的抑制多光子的产生，因此在探测过程中能同时兼顾得到光子计数率和良好的单光子特性，从而保证了产生真随机数的速率和真随机性。同时，该方法及装置所使用的的器件可以全部来自成熟的光电子器件，且具有物理模型简单、随机性高的特点，以及片上集成的潜力，可在仿真、博彩、密码学和信息安全等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于室温单光子源的真随机数产生装置的结构示意图图；

图2为本发明实施例的一种单光子源的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种投影测量装置的结构示意图；

图4为单光子的归一化二阶关联函数测量结果；

图5为随机序列的nist检验结果。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、单光子源，2、投影测量装置，3、时间数字转换器，4、随机数生成装置，5、激光器，6、耦合透镜，7、光纤，8、光纤接头转接件，9、聚焦透镜，10、二向色镜，11、滤光片，12、物镜，13、样品，14、电动纳米位移台，15、粗调位移台，16、分束器，17、第一单光子探测器，18、第二单光子探测器，19、起偏器，20、偏振分束器，21、第三单光子探测器，22、第四单光子探测器，23、阵列单光子探测器，24、第五单光子探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明第一实施例提供的一种基于室温单光子源的真随机数产生装置，其特征在于，包括单光子源1、投影测量装置2、时间数字转换器3和随机数生成装置4；

所述单光子源1用于产生具有反聚束性质的单光子；

所述投影测量装置2用于测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号；

所述时间数字转换器3用于根据所述电脉冲信号的到达时间和通道编号，产生时间序列信号；

所述随机数生成装置4用于根据时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数。

上述实施例中所述的一种基于室温单光子源的真随机数产生装置制备的高亮度反聚束单光子源，与现有真随机数产生方案中使用的具有泊松光子分布的弱相干光源相比，在保证了高的光子产生速率的同时，能更好的抑制多光子的产生，因此在探测过程中能同时兼顾得到光子计数率和良好的单光子特性，从而保证了产生真随机数的速率和真随机性。同时，该装置还具有物理模型简单、随机性高的特点，以及片上集成的潜力，可在仿真、博彩、密码学和信息安全等领域得到广泛应用。

为了测试最终得到的数据是否随机，可以利用国际通用标准经典统计检验程序包，如nist、diehard、ent等，进行随机性检验。

可选地，如图2所示，所述单光子源1包括激光共聚焦显微系统和样品13，所述激光共聚焦显微系统包括激光器5、耦合透镜6、光纤7、光纤接头转接件8、聚焦透镜9、二向色镜10、滤光片11、物镜12和位移台；

所述激光器5产生的激光依次通过耦合透镜6、光纤7、光纤接头转接件8和聚焦透镜9进行准直扩束后，经过二向色镜10反射，并经过物镜12聚焦在样品13上，样品13的色心被激发，发出单光子，单光子被物镜12收集一部分，经二向色镜10透射后，通过滤光片11输出；位移台用于负载样品11精确运动。

上述实施例中，激光器5为样品13的色心发光提供稳定的激发光；耦合透镜6和光纤7用于对激光进行耦合、传输和选模；聚焦透镜9用于对激光束进行准直、收集；二向色镜10可以反射截止波长以下的光，透射截止波长以上的光；滤光片11用于滤去散射透过二向色镜10的部分激发光；物镜12把平行光在样品13上聚焦为衍射极限大小的光斑，并收集样品13发出的单光子。由于激发和收集都是共焦的，所以所述单光子源中的激光共聚焦显微系统具有亚波长量级的高空间分辨率。

可选地，如图3所示，所述投影测量装置2包括分束器16、第一单光子探测器17和第二单光子探测器18；所述投影测量装置2利用分束器16以及放置在分束器16的输出端口后的第一单光子探测器17和第二单光子探测器18，对处于路径叠加态的单光子在路径自由度进行投影测量，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号，如图3(a)所示；

或者，所述投影测量装置2包括起偏器19、偏振分束器20、第三单光子探测器21和第四单光子探测器22；所述投影测量装置2利用起偏器19和偏振分束器20使单光子形成垂直偏振和平行偏振的偏振叠加态，利用放置在偏振分束器(20)的输出端口后的第三单光子探测器21和第四单光子探测器22对单光子在偏振自由度进行投影测量，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号，如图3(b)所示；

或者，所述投影测量装置2包括阵列单光子探测器23；所述投影测量装置2利用阵列单光子探测器23对单光子进行探测，阵列单光子探测器23的一部分阵元的输出并联在一起，形成一个输出端；其余阵元的输出并联在一起，形成另一个输出端，产生在两条路径上随机分布的电脉冲信号，如图3(c)所示；

或者，所述投影测量装置2包括第五单光子探测器24；所述投影测量装置2利用第五单光子探测器24对处于产生时间混态的单光子在时间自由度进行投影测量，产生在时间上随机分布的电脉冲信号，如图3(d)所示。

上述实施例中，单光子探测器用于对输入的信号光进行检测，将光子转成电脉冲的形式输出，其工作波长应覆盖样品色心单光子的波长范围。所述分束器16可为50：50分束器，所述起偏器19可为45°起偏器。

可选地，所述样品13的色心为氮化镓晶体中的空位缺陷、金刚石晶体中的siv色心、碳化硅晶体中的硅空位色心或者碳化硅晶体中的双空位色心。

上述实施例中，所述样品的色心还可以与纳米光学腔、纳米波导等相结合，有助于片上集成量子随机数器件的开发。

可选地，所述位移台包括电动纳米位移台14和粗调位移台15，所述电动纳米位移台14位于粗调位移台15上。

上述实施例中，电动纳米位移台14用于负载样品精确运动，实现扫描成像；粗调位移台15用于手动调节样品位置。

本发明第二实施例提供的一种基于室温单光子源的真随机数产生方法，包括以下步骤：

利用单光子源1产生具有反聚束性质的单光子；通过投影测量装置2测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号；利用时间数字转换器3根据所述电脉冲信号到达时间和通道编号，产生时间序列信号；利用随机数生成装置4根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数。

上述实施例中所述的一种基于室温单光子源的真随机数产生方法制备的高亮度反聚束单光子源，与现有真随机数产生方案中使用的具有泊松光子分布的弱相干光源相比，在保证了高的光子产生速率的同时，能更好的抑制多光子的产生，因此在探测过程中能同时兼顾得到光子计数率和良好的单光子特性，从而保证了产生真随机数的速率和真随机性。同时，该方法还具有物理模型简单、随机性高的特点，以及片上集成的潜力，可在仿真、博彩、密码学和信息安全等领域得到广泛应用。

可选地，利用单光子源1产生具有反聚束性质的单光子的步骤，包括：利用激光共聚焦显微系统激发、定位样品13中的色心，并收集样品13中色心发射的具有反聚束特性的单光子。

可选地，通过投影测量装置2测量所述单光子的内禀随机性，获得在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号的步骤，包括：利用所述投影测量装置2对在路径、偏振、空间或者时间自由度上处于的相干叠加态或者混态的单光子进行探测，从而使单光子由于内禀随机性从叠加态或者混态随机坍缩至不同的投影测量基上，输出在路径或者时间上随机分布的电脉冲信号。

可选地，利用随机数生成装置4根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数的步骤，包括：随机数生成装置4按照所述时间序列信号中每一个数值中包含的电脉冲信号到达时间顺序，判断每一个数值中包含的通道号信息，如果是通道1，则产生“0”；如果是通道2，则产生数字“1”，从而产生按顺序排列的真随机数。

可选地，所述利用时间数字转换器3根据所述电脉冲信号到达时间和通道编号，产生时间序列信号；利用随机数生成装置4根据所述时间序列信号中的时刻或者通道编号信息，产生真随机数的步骤，包括：时间数字转换器根据输入的电脉冲信号的到达时间，产生并输出时间序列信号{tn,n＝1,2….m}，其中m为时间数字转换器中输入的电脉冲的个数；时间序列信号中的每一个数值tn编码了时间数字转换器中输入的第n个电脉冲信号的到达时间tn，当时间序列信号进入随机数产生装置时，该装置按照n从小到大的顺序，计算ti中编码的时间ti与ti-1中编码的时间ti-1的差τi，以及ti-1中编码的时间ti-1与ti-2中编码的时间ti-2的差τi-1，i＝3,4…n，判断τi与τi-1的相对大小，如果τi小于τi-1，则生成随机数“0”；如果τi大于等于τi-1，则生成随机数“1”，从而产生按顺序排列的真随机数；

或者时间数字转换器根据输入的电脉冲信号的到达时间，产生并输出时间序列信号{tn,n＝1,2….m}，其中m为时间数字转换器中输入的电脉冲的个数；时间序列信号中的每一个数值tn编码了时间数字转换器中输入的第n个电脉冲信号的到达时间tn，随机数产生装置根据时间数字转换器输出的时间序列信号，产生p个时间窗口(μi-δt/2,μi+δt/2)，其中i＝1,2,…p,μi为时间窗口的中心位置，δt为每个时间窗口的宽度，μi-δt/2大于序列{tn,n＝1,2….m}中的最小值，μi+δt/2小于序列{tn,n＝1,2….m}中的最大值，随机数产生装置计算序列{tn,n＝1,2….m}中位于第p和p+1个时间窗口中的元素的个数qp和qp+1，其中，p＝1,2,…p-1，如果qp+1大于qp，则生成随机数“0”，如果qp+1小于qp，则生成随机数“1”，从而产生按顺序排列的真随机数。

下面介绍在实际试验中，实现基于反聚束单光子的真随机数的一个具体实施例：采用生长在图形化蓝宝石衬底上的氮化镓led晶体作为样品，扫描定位其中的色心作为单光子源。激光器的中心波长为532nm，功率约为3mw，为样品色心发光提供稳定的激发光。激发端的耦合透镜和光纤用于对激光进行耦合、传输和选模，聚焦透镜用于对激光束进行准直，三者的工作波长都覆盖了532nm，聚焦透镜的焦距为15mm。选择放大倍数为100倍，工作距离为0.9mm，数值孔径(na)为0.9的物镜，可以将平行激光束聚焦为衍射极限大小的光斑。选择截止波长为560nm的二向色镜，可以将532nm激发光和氮化镓样品发出的600-750nm单光子从空间上区分开。选择截至波长为550nm的滤光片，用于进一步滤去透过二向色镜的0.01％左右的532nm激发光，从而提高单光子信号的信噪比。接收端可采用聚焦透镜和光纤耦合收集单光子，其中，选择工作波长为700-1100nm、焦距为15mm的透镜，以及工作波长覆盖600-800nm的单模光纤。

单光子探测器用于检测单光子信号，将光子转成电脉冲的形式输出。为了探测光谱范围约为600-800nm的氮化镓荧光信号，单光子探测器应为硅基雪崩二极管探测器，在600-800nm波段的光子探测效率为45％-65％，暗计数为50hz，死时间约为30ns。

此外，将电动纳米位移台的扫描步距设置为200nm，扫描范围设置为20μm×20μm，结合单光子探测器和时间数字转换器即可对样品进行扫描成像；粗调位移台用于将电动纳米位移台移动到最大可移动范围100μm×100μm之外。

时间数字转换器(tdc)用于记录单光子探测器每一个电脉冲信号到达的确切时间和通道号。此时，使用的tdc最小可分辨的时间间隔(即bin宽大小)，为81ps，并且可以实现电脉冲计数、符合计数、二阶关联函数测量、时间戳测量等功能。利用tdc的二阶关联函数测量功能，可以验证发光点是否为反聚束的单光子源。测量结果如图4所示，延时为零处的归一化二阶关联函数g⁽²⁾(0)＝0.36小于0.5，说明制备出的单光子具有明显的反聚束特征。

利用时间数字转换器采集了两路电脉冲信号在不同时间到达不同通道的“0”“1”序列。在非理想条件下，由于分束器无法做到准确的50:50分光、两个探测器的响应时间和光子探测效率无法完全一致，采集到的“0”和“1”的概率也就无法实现各自50％，因此，对随机数序列进行消偏差处理，最后随机数比特的产生速率约为420khz。

然后，使用nist检验程序包对消偏差后的1gbits随机数序列进行随机性检验。nist是美国国家标准与技术委员会发布的考评伪随机序列随机性的一种方法，一共有15个小测试；每个测试得到一个p-value值，大于等于0.01即认为随机，小于0.01认为随机性不够强，其检测结果如图5所示，图5a是随机数序列在每项小测试中的通过概率，可见通过率都在98％以上，图5b是随机数序列通过测试的p值，可见p值都大于0.01，说明采集到的随机数通过了nist随机性检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。