本实用新型涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器。
背景技术：
现代社会中有很多用到随机数的场合，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，这些随机数往往是基于某些算法产生的伪随机数，伪随机实际上只是“看起来像”随机数，也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和随机数的不同。但是，从本质上它们的熵是不同的，伪随机数是可以被预测的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等也可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上得到保证。在一些特定场合，如量子通信，这种随机数也是不安全的。因此，需要量子随机数发生器来产生真随机数。
根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，例如，利用单光子探测、量子非局域性和真空态的统计涨落产生真随机数的技术方案都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，例如ID-Quantique system，已经进入市场。但是，值得指出的是，此类量子随机数产生器的速度受到单光子探测器死时间的制约，只能达到Mbps量级。
在现有的量子随机数产生器方案中，基于测量激光器相位涨落的随机数发生器可以达到最快的随机数产生率。此类量子随机数产生器的实验实现是搭建在光学平台上，通过马赫—曾德(MZ)干涉仪将激光中自发辐射的相位涨落转化为强度涨落，通过测量这个强度涨落来产生随机数。然而，此方案仍停留在实验室阶段，没有达到商用化。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提供了一种量子随机数发生器，从而使得随机数产生率可以达到Gbps量级，同时还可以大大降低制造成本。
本实用新型的技术方案具体是这样实现的：
一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：连续波激光器、MZ干涉仪、光电探测器和模数转换器；
所述连续波激光器，用于输出连续的激光信号；
所述MZ干涉仪，用于将所述连续波激光器输出的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落，并将具有强度涨落的激光信号发送给所述光电探测器；
所述光电探测器，用于根据接收到的激光信号的强度涨落生成相应的电信号，从而将激光束的光强转化为电信号；
所述模数转换器，用于将连续的电信号转化为数字信号，并根据数字信号生成随机数序列。
较佳的，所述连续波激光器的泵浦电流高于预设的阈值。
较佳的，所述MZ干涉仪集成在一个芯片上。
较佳的，所述量子随机数产生器集成在一个芯片上。
由上述技术方案可见，上述量子随机数发生器中所生成的随机数的随机性来自于连续波激光器内部介质的自发辐射带来的随机相位涨落，因此该连续波激光器输出的激光信号中包含了上述相位涨落。通过MZ干涉仪将连续波激光器输出的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落之后，再通过光电探测器将上述强度涨落转换成电信号，随后即可将该电信号转换成数字信号，从而得到了相应的随机数序列。通过使用上述的量子随机数发生器，可以使得随机数产生率可以达到Gbps量级；另外，由于光电探测器的成本大大低于单光子探测器的成本，因此本实用新型的技术方案还可以大大降低制造成本；此外，还可以将本实用新型中的量子随机数产生器集成在芯片上，从而实现整个量子随机数产生器的芯片化，使得量子随机数发生器具有便携性和实用性。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型提出一种基于量子态相干性的源自检测量子随机数发生器。通过对相干性的刻画，可以最大地提取出量子态的随机性。
图1为本实用新型实施例中的量子随机数发生器的结构示意图，如图1所示，本实用新型实施例中的量子随机数发生器包括：连续波激光器11、MZ干涉仪12、光电探测器13和模数转换器14；
所述连续波激光器11，用于输出连续的激光信号；与脉冲激光器相对应，连续波激光器所输出的激光信号的激光强度在时域上是一条平稳曲线而不是一个个分立的脉冲；
所述MZ干涉仪12，用于将所述连续波激光器11输出的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落，并将具有强度涨落的激光信号发送给所述光电探测器13；
所述光电探测器13，用于根据接收到的激光信号的强度涨落生成相应的电信号，从而将激光束的光强转化为电信号；
所述模数转换器14，用于将连续的电信号转化为数字信号，并根据数字信号生成随机数序列。
在使用上述量子随机数发生器时，所生成的随机数的随机性来自于连续波激光器内部介质的自发辐射带来的随机相位涨落，因此该连续波激光器输出的激光信号中包含了上述相位涨落。通过上述的量子随机数发生器，即可将上述激光信号中包含的相位涨落提取出来产生随机数(即随机数序列)。
因此，在本实用新型中，可以使用上述的量子随机数发生器，通过如下所述的方式生成量子随机数。
步骤21，通过连续波激光器生成连续的激光信号；
步骤22，通过MZ干涉仪将由连续波激光器生成的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落，生成具有强度涨落的激光信号；
步骤23，通过光电探测器根据接收到的激光信号的强度涨落生成相应的电信号；
步骤24，通过模数转换器将连续的电信号转化为数字信号，并根据数字信号生成随机数序列。
在本实用新型的技术方案中，所生成的随机数的随机性来自于连续波激光器内部介质的自发辐射带来的随机相位涨落，因此该连续波激光器输出的激光信号中包含了上述相位涨落。通过上述的方法，即可将上述激光信号中包含的相位涨落提取出来产生随机数。
另外，较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述连续波激光器的泵浦电流和增益介质以及谐振腔之间存在一个阈值关系；如果泵浦电流的强度低于这个阈值，则连续波激光器内部仅存在微弱的自发辐射且无激光输出，因此只有泵浦电流高于此阈值时才会有激光输出，且以受激辐射为主导。所以，在本实用新型的量子随机数发生器工作时，可以将泵浦电流强度设为稍高于预设的阈值，这样可以在有激光输出的条件下，使自发辐射的比例尽可能高。
另外，光电探测器输出的电信号中同时包含量子信号与经典噪声：
<V2>＝AQP+ACP2+F
其中，<V2>为电信号的方差，是一个统计量，可以通过大量样本计算出来；AQP为量子信号，ACP2和F为经典噪声，P为激光器输出功率。
上式表明，量子信号与经典噪声均与激光器功率P有关。电信号的方差是P的二次函数，各项系数AQ，AC，F可以通过拟合的方式计算出来。因此，较佳的，在本实用新型的具体实施例中，可以根据光电探测器输出的电信号中的量子信号与经典噪声，设置适当的P，即可确定量子信号与经典噪声的比例，进而从总信号的各个统计学数字特征中计算出量子信号的数字特征。
另外，由于量子信号呈高斯分布，因此通过测出总信号的方差即可计算出量子信号的方差，最终可以根据最小熵公式计算出产生的随机数中的随机性。
此外，较佳的，在本实用新型的具体实施例中，在考虑测量装置精度的条件下，所述MZ干涉仪的臂长差可以缩小至很短(但不能为零)，此时仍有随机性产生。因此，可以将MZ干涉仪的臂长差缩短至芯片大小级别。因此，在本实用新型的一个较佳实施例中，可以将MZ干涉仪及其他器件集成在芯片上，也可以将整个量子随机数产生器集成在芯片上，从而实现整个量子随机数产生器的芯片化。
综上所述，在本实用新型的技术方案中，根据上述的量子随机数发生器的结构以可知，上述量子随机数发生器中所生成的随机数的随机性来自于连续波激光器内部介质的自发辐射带来的随机相位涨落，因此该连续波激光器输出的激光信号中包含了上述相位涨落。通过MZ干涉仪将连续波激光器输出的激光信号中的相位涨落转化为强度涨落之后，再通过光电探测器将上述强度涨落转换成电信号，随后即可将该电信号转换成数字信号，从而得到了相应的随机数序列。通过使用上述的量子随机数发生器，可以使得随机数产生率可以达到Gbps量级；另外，由于光电探测器的成本大大低于单光子探测器的成本，因此本实用新型的技术方案还可以大大降低制造成本；此外，还可以将本实用新型中的量子随机数产生器集成在芯片上，从而实现整个量子随机数产生器的芯片化，使得量子随机数发生器具有便携性和实用性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。