具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法
【专利摘要】一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法是利用光学设备产生出超短脉冲序列，后对获得的超短脉冲序列进行光谱切割获得 N 路窄带超短脉冲序列，再对 N 路窄带超短脉冲序列进行功率调节，使每路序列平均功率相等，然后再将随机起伏的峰值功率转换成不同脉冲状态，峰值功率大于平均功率的脉冲输出，编码为1；峰值功率低于平均功率的无脉冲输出，编码为0，实现重复频率 N 路并行全光真随机码产生，经 N 个光带通滤波元件滤出。本发明克服了并行伪随机数发生器固有周期性的局限，同时输出了至少10000路的独立并行真随机码，将现有的并行真随机数发生器扩放性提高了3~4个数量级，满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。
【专利说明】具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法
【技术领域】
[0001]本发明与一种并行真随机数产生方法有关，尤其是一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，适用于并行蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域。
【背景技术】
[0002]并行蒙特卡罗仿真在核物理、计算化学、生物医学、金融工程学、宏观经济学等领域有着重要应用。高速并行随机数的产生是并行蒙特卡罗仿真的基石，随机数的真决定了仿真的准确性，随机数的快制约着仿真的速度。
[0003]一个理想的并行随机数产生方法需要满足以下条件:首先，不含序列内相关性(intra-stream correlat1n)。即每个处理器上所用的随机数序列必须具有高质量的随机特性；其次，不含序列间相关性(inter-stream correlat1n)。即多个并行处理器所用的多路随机数序列之间要相互独立；第三，具有可扩放性(scalability)。即根据实际需要，随机数发生器可同时产生出任意N路独立的随机数序列。
[0004]按照产生机理的不同，并行随机数产生方法主要可以分成两类:
第一类方法是利用计算机，通过一定的并行化算法可方便地获得并行随机数。该类方法是基于种子和确定性算法实现的，存在周期性，是伪随机数一这一“阿喀琉斯之踵”严重限制了其大量产生随机数的能力。人们习惯上称这类方法为“并行伪随机数产生方法”。
[0005]第二类方法是基于自然界随机现象构建并行随机数发生器，可提供非周期、不可预测、无限数量的真随机数，称作“并行真随机数产生方法”。1986年，美国罗切斯特大学的J.Marron等人利用一个二维探测器阵列对激光器散斑分布进行探测和编码实现并行真随机数的产生[為吵7.0pt.25(1): 26-30 (1986)]。1987年，法国巴黎大学F.Devos进一步发展了这一技术[办1.let.12(3): 152-154 (1987)]。但遗憾的是，传统并行真随机数发生方法受限于传统物理熵源带宽过低且可扩放性差，码率过慢处于Mb/s量级，与实际需求相去甚远。
[0006]近年来，随着光子熵源的出现，串行真随机数产生方法取得了跨越式发展，速率可达Gbps量级。典型的实现方法有:1)基于放大自发辐射光噪声(ASE)提取真随机数。如，美国C.R.S.Williams等人2010年利用铲杂光纤放大器中的ASE获得了 12.5 Gbps的真随机数lOpt.Express 18(23), 23584 - 23597, 2010]。2)基于混沌激光提取真随机数。如，发明人所在课题组2013年利用混沌半导体激光器实验实现了 4.5 Gbps真随机数的产生[办t Express, 21(17): 20452-20462, 2013] ? 3)基于量子真空态获取真随机数。如，澳大利亚T.Symul等人2011年基于真空态构建了 2 Gbps随机数产生系统[A卯1.Phys.Lett.98(23): 231103, 2011]。但是，这些真随机数发生方法却属于“串行”随机数发生方法，只能输出一路随机码序列，不符合高质并行真随机数的要求，无法应用于大规模蒙特卡洛仿真及并行计算领域。此外，这些方法提取随机数的过程均在电域中完成，其实时速率最终将面临“电子瓶颈”的限制，约几十个Gbps。
[0007]总之，上述并行伪随机数产生方法能快速产生随机数，但无法克服算法本身固有周期性的限制，不具备产生大量随机数的能力；传统并行真随机数产生方法拥有产生大量无周期随机数的能力，但受限于随机数信号源带宽，无法实现真随机数的快速产生，典型速率低于100 Mbps ;近年来发展起来的真随机数产生方法已具有Gbps的快速随机数产生能力，但却只能输出一路随机数，不具可扩放性。
[0008]并行蒙特卡罗仿真的计算量至少是串行情形下的10?15倍，要求相应真随机数的产生速度和数量均需大规模提升。根据2014年“国际TOP 500组织”公布的最新全球超级计算机500强榜单，当前并行计算机已拥有并发执行数千、甚至上万只处理器的能力，要求具有与之相匹配的可扩性能力的并行真随机数发生方法。由此可见，现有的并行真随机数产生方法均无法满足当前需求。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，以解决现有技术码率不足及可扩放性差的问题，并满足现代蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及网络安全通信等实际需求。
[0010]为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。
[0011]一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的:
(I)利用光学设备产生出具有超宽光谱F、重复频率定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列；
(2)利用阵列波导光栅对步骤(I)获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得城各独立无关、重复频率厢1定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列；
(3)利用#光强调节设备对步骤(2)中产生的Λ路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等；
(4)利用#全光编码设备将步骤(3)中产生的Λ路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态:峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为I ;峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为0，实现重复频率为Λ路并行全光真随机码的产生，经N个光带通滤波元件滤出。
[0012]在上述方法中，所述光学设备是由一保偏光纤依次串接有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤构成；所述超宽光谱F的取值为2000 nm ;所述f取值为I Tbps ;所述_取值为10000。
[0013]实现上述本发明所提供的一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，与在先并行随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于:
第一，不存在周期性，可提供无限数量的真随机数序列，克服了并行伪随机数产生方法固有周期性的局限；
第二，单路码率可达Tbps量级，将现有并行真随机码产生方法的单路速率提高了 3个数量级；
第三，可同时输出至少10000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数产生方法的可扩放性提高了 3~4个数量级，极大满足了大规模并行计算及高速保密网络通信的当前需要； 第四，本发明的并行真随机数产生方法的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了 “电子瓶颈”的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法的流程图。
[0015]图2是实现本方法的【具体实施方式】中全光编码装置结构示意图。
[0016]图3是实现本方法的Tbps全光并行真随机数发生器的结构示意图。
[0017]图中:1:有理数谐波锁模光纤激光器；2:脉冲光放大器；2a:3dB耦合器I ;2b:光隔离器I ;2c:光隔离器II ；2d:耦合器I ;2e:耦合器II ； 2/:波分复用器；2g:高非线性光子晶体光纤；2h:3dB耦合器II ；3:高非线性色散位移光纤；4:反常色散光纤；5:阵列波导光栅；6:光衰减器阵列；7:全光比较器阵列；8:连续光激光器；9:光滤波器阵列。
【具体实施方式】
[0018]实施本发明上述所提供的一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述产生方法是按下列步骤进行的:
步骤一、利用通过保偏光纤依次连接的有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤产生出具有超宽光谱F、重复频率定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列。
[0019]步骤二、利用阵列波导光栅对步骤一获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得Λ路独立无关、重复频率定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列。
[0020]步骤三、利用外光强调节设备对步骤二中产生的Λ路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等。
[0021]步骤四、利用#全光编码设备将步骤三中产生的Λ路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态:峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为I ;峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为O。这样就实现了重复频率为/W Λ路并行全光真随机码的产生，经Λ个光带通滤波元件滤出。
[0022]其中，所述F取值为2000 nm ;所述/取值为I Tbps ;所述_取值为10000。
[0023]下面将结合附图与实施实例对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明，但该实施实例不应理解为对本发明的限制。
[0024]实施一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述产生方法按下列步骤进行:
步骤一:利用有理数谐波锁模光纤激光器输出的脉宽I±0.05 ps、重复频率I THzJ^长为1550 nm的超短光脉冲序列，经脉冲光放大器作用后，其峰值功率增大至6 kW。以该超短脉冲信号作为泵浦源经保偏光纤进入到一段长5 m、非线性系数为25/W/km高非线性色散位移光纤，零色散点位于1550 nm处，受高非线性色散位移光纤中自聚集、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等效应的共同作用，泵浦脉冲的光谱中会产生许多新的频率成分，使得输出脉冲序列的光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽，最终产生谱宽可达2.0 μπι以上的超短光脉冲信号。
[0025]由于噪声信号的存在，此时的超连续谱光脉冲信号峰值功率会有微弱起伏，但远不足以满足后续全光编码设备的要求。为了进一步增强上述超短光脉序列冲峰值功率的起伏，本实施例中引入一段长10 m的反常色散光纤。原始的超短光脉序列在该段反常色散光纤传输过程中，噪声驱动的调制不稳定性将发挥主导作用，致使超短光脉序列的稳定性大幅劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的随机起伏。这就实现了本发明的第一个步骤(见图1)。具体到本实施例，所产生的超宽光谱超短脉冲序列的光谱宽度F=2000 nm、重复频率THz、脉宽约lps、峰值功率大幅度随机起伏。
[0026]步骤二:利用通道间隔为0.2 nm、通道数浪10000路的阵列波导光栅对上述超宽光谱超短脉冲序列实施光谱切割，将分离出浪10000路的窄带超短脉冲序列。该序列遗传了步骤一种超宽光谱超短脉冲序列的高重频及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之间相互独立。这里特别之处，浪10000路窄带超短脉冲序列相互之间完全独立的本质原因，在于步骤一中超宽光谱超短脉冲序列随机起伏起源于量子独立的激光自发辐射噪声且步骤二中所选阵列波导光栅各个输出通道光谱上无重叠。这就实现了本发明的第二个步骤(见图1)。具体到本实施例，此步骤产生的独立无关、窄带超短脉冲序列的路数浪10000路；每路的重复频率Al THz、脉宽为1.0±0.001 PS且峰值功率大幅度随机起伏。
[0027]步骤三:利用光衰减器阵列对步骤二中获得的浪10000路的独立无关、窄带超短脉冲序列进行光强的衰减，使得各个脉冲序列的平均功率均相等，记作Pth=32mW。这里，光衰减器阵列由浪10000个光衰减器并行构成。
[0028]步骤四:将步骤三中最终获得的浪10000路的超短脉冲序列作为子随机数提取源，输入各自对应的Λ个全光比较器，量化为城各独立的高速真随机脉冲序列，经各自对应的Λ个光带通滤波器滤出。本实施例中，Λ个全光比较器是完全相同的装置，工作过程亦相同。因此，下面将随机抽取其中一个全光比较器为例，对Λ路高速真随机脉冲序列的产生过程予以详细说明。
[0029]附图2是本实施例中全光比较器的详细结构示意图，其中A、C为输入端、B为输出端。由A端口输入的窄带超短脉冲序列，作为控制光I经过附图2中的波分复用器入环路。连续光激光器输出的连续光信号作为探测光通过3dB耦合器I 2a等分成两路，分别称其为上臂、下臂两路。上臂连续光信号经光隔离器I 2b通过耦合器I 2d分成两路:一路连续光信号II通过耦合器I 2d直通臂向前传输，另一路连续光信号III则通过耦合器I2d的耦合臂进入高非线性光子晶体光纤2g构成的环路中，与控制光信号I同向传输。传输过程中，连续光信号III相位受到信号线性相移，自相位调制以及与控制光之间的交叉相位调制的影响。连续光信号III在环路里传输一周后与信号II在耦合器I 2d叠加形成新的光场信号IV ;同理，下臂连续信号经光隔离器II 2c通过耦合器2e分成两路:一路连续光信号V通过耦合器II 2e的直通臂向前传输，另一路连续光信号VI高非线性光子晶体光纤2g构成的环路中，与控制光信号I逆向传输。此时连续光信号VI与控制光I之间的交叉相位调制效应可忽略，连续光信号VI相位只受到信号线性相移以及自相位调制的影响。连续光信号VI在环路里传输一周后与直通臂中的信号V在耦合器II 2e叠加形成新的光场信号VII。最后，新生光场信号IV与信号VII在另一 3dB耦合器II 2h处干涉由端口 B输出。从而，实现对A端口输入的窄带子光脉冲序列的全光量化处理。
[0030]详细的定量分析为:上、下臂连续光信号I1、III在高非线性光子晶体光纤环形腔中受到的非线性效应的差异会使得两路光信号之间产生相位差。连续光信号II1、V与I1、VI在光耦合器I 2d、光耦合器II 2e叠加产生新的光场IV、VII的相位分别可以表示为:Φ?= Φ0+6 π n2lPj Λ Aeff+4 π n2lPj Λ Aeff^U Φηι= Φ0+6 π n2lPj Λ Jeff。这里，Φ。和』分别是上、下两臂连续光信号的线性相移及波长，Iji2R式?则是高非线性光子晶体光纤2g构成的环形腔的长度、非线性折射率及发生非线性效应的有效横截面积。考虑到光耦合器I 2d和光耦合器II 2e的耦合系数均为r，新生光场IV、VII耦合输出时的有效相位差Λ 可以表达为:
Δ Oeff= arc tan [ (1+r2) tan ( Φ?/2) / (1-r2)]
—arc tan [ (1+r2) tan ( Φνπ/2) / ( 1-,2)]
从而，当新的光场IV、VII在3-dB耦合器II 2h处干涉输出时，透射率Γ将可以表达为7K1-C0S(A ^eff)]/2 0合理选择光耦合器2d、2e的耦合系数均为r，可以使得有效相位差也实现了 “0”、“ π ”的跳变，由光路干涉透射率Ml-cos(A ^eff)]/2公式知，输出端口B处的透射率将实现O和I之间的跳变:当透射率为O时，无脉冲输出，产生“O”码；当透射率为“ I ”时，有脉冲输出且输出脉冲功率恒定，产生“ I”码。
[0031]本实施例中，所选用的高非线性光子晶体光纤2g的长度7、非线性折射率/?及发生非线性效应的有效横截面积Aff分别是0.2 m、4.95 X 10 _19 m2/W和10 μ m2，所选用的光耦合器2d、2e的耦合系数r均为0.99。此时，全光比较器的透射传递函数是一方波函数，具有陡峭的比较阈值Pth=32 mW。当A端口输入的窄带子光脉冲峰值功率大于该阈值时，B输出端有脉冲输出，编码为“I”;反之，B输出端口无脉冲输出，编码为“O”。最后，这些全光真随机脉冲序列经各自对应的Λ个相同的光带通滤波器滤出。本实施例中，各个带通滤波器的中心波长与连续光激光器一致。
[0032]实现上述真随机数产生方法的真随机数产生器的直接构成关系如下:
图3是一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数发生器的结构示意图。该发生器是，在一保偏光纤中依次设置有理数谐波锁模光纤激光器1、脉冲光放大器2、高非线性色散位移光纤3、反常色散光纤4构成一超连续谱熵源；
一超连续谱熵源将输出的重复频率为/W脉冲序列经阵列波导光栅5被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，进入光衰减器阵列6进行调节，后经Λ路光纤与连续光激光器8输出的Λ路连续光信号同时进入全光比较器阵列7被量化成城各高速真随机脉冲序列，再由光滤波器阵列9滤出。
[0033]在上述方案中，所述超连续谱熵源输出的脉冲序列中的/= I THz。所述阵列波导光栅5是具有#输出波长通道。所述光衰减器阵列6是由#光衰减器并列构成。所述全光比较器阵列7是由Λ个相同的全光比较器并列构成。所述光滤波器阵列(9)是由Λφ相同的光滤波器并列构成。所述城各高速真随机脉冲序列的码率是由超连续谱熵源输出脉冲的重复频率/7夬定，等于I Tbps。所述_取值为10000。
【权利要求】
1.一种具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的: (I)利用光学设备产生出具有超宽光谱F、重复频率定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列； (2)利用阵列波导光栅对步骤(I)获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得城各独立无关、重复频率厢1定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列； (3)利用#光强调节设备对步骤(2)中产生的Λ路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等； (4)利用#全光编码设备将步骤(3)中产生的Λ路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态:峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为I ;峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为O，实现重复频率为Λ路并行全光真随机码的产生，经N个光带通滤波元件滤出。
2.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述光学设备是由一保偏光纤依次串接有理数谐波锁模光纤激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤及反常色散光纤构成。
3.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述超宽光谱F的取值为2000 nm。
4.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述/取值为I Tbps。
5.如权利要求1所述的具有超强可扩放性的Tbps全光并行真随机数产生方法，其所述所述_取值为10000。
【文档编号】G06F7/58GK104461456SQ201410830071
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】王云才, 李璞, 张建忠, 张建国, 王冰洁, 王安帮, 张明江 申请人:太原理工大学