本发明涉及量子随机数产生技术，尤其涉及一种测量端器件无关的量子随机数发生器。
背景技术：
随机数是一种广泛使用的基础资源，在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多领域都有着广泛而重要的应用。量子随机数发生器的随机性源于量子物理基本原理，相比于传统的伪随机数发生器和噪声源随机数发生器，其随机性来源更加清晰，采用最小熵理论可严格证明其随机性，并且可以产生具有不可预测性、不可重现性和无偏性等一系列基本特征的真随机数。
量子随机数发生器通常由两部分构成：量子随机源、测量端。实用化的量子随机数发生器，随机源与测量端都认为是可信的，通过对其进行精确建模，从而估算出原始数据的最小熵，据此进行随机性提取并得到最终的量子随机数。然而在现实条件下，所用器件都是不完美的，其对最小熵的影响在模型中很难量化，使得准确地估算最小熵变得非常困难，同时，器件的不完美特性很容易被黑客利用，从而带来安全隐患。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种测量端器件无关的量子随机数发生器，可以彻底解决量子随机数发生器中测量端器件不可信、不完美所带来的安全性隐患。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测量端器件无关的量子随机数发生器，包括：可信的随机源与不可信的测量端两个部分；
所述可信的随机源随机地工作在随机数产生模式和安全性校验模式下；在随机数产生模式时，所述可信的随机源发送固定的量子态给所述不可信的测量端，并由所述不可信的测量端进行测量；在安全性校验模式，所述可信的随机源随机地发送不同的量子态给所述不可信的测量端，根据不可信的测量端输出的测量结果，进行实时安全性校验，同时根据测量结果估算出原始随机数据的最小熵，从而产出与测量端器件无关的量子随机数。
所述可信的随机源包括：脉冲激光光源(11)、不等臂干涉仪(12)、强度调制器(13)、相位调制器(14)与可调衰减器(15)；其中：
所述脉冲激光光源(11)产生相位随机的弱相干激光脉冲输出至所述不等臂干涉仪(12)；所述不等臂干涉仪(12)将弱相干激光脉冲分成前后两个激光脉冲输出；输出的前后两个激光脉冲依次经过所述强度调制器(13)与所述相位调制器(14)进行强度调制和相位调制后，再经过所述可调衰减器(15)衰减至单光子水平，从而实现时间-相位编码下的量子态的制备。
所述不可信的测量端包括：单光子探测器(21)与时间数字转换器(22)；其中：
所述单光子探测器(21)用于探测所述可信的随机源制备的量子态，并输出探测信号到所述时间数字转换器(22)；
所述时间数字转换器(22)，用于给出探测信号的时间信息，并根据时间信息判断探测到的光子属于前后两个脉冲的哪一个，实现对量子态的测量。
在随机数产生模式时，所述可信的随机源发送固定的量子态|+>给所述不可信的测量端，并由所述不可信的测量端使用约定的测量基矢对量子态|+>测量，测量结果为0与1的概率均为1/2；
在安全性校验模式，所述可信的随机源随机地发送量子态|0>、|1>、|+>与|+i>中的一个，其中，|0>与|1>为泡利矩阵z分量σz的本征态，
最小熵的计算公式如下：
上式中，μ为可信的随机源中的脉冲激光光源输出的平均光子数；a1、ny与nz是根据测量结果计算得到的实验参数。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，即使在测量端器件未经过标定甚至是不可信的情况下，基于该技术方案的量子随机数发生器也能够输出有安全保证的量子随机数。该方案中，原始数据的最小熵是根据实时测量结果计算得到的，可以准确地将测量端器件的不完美性对最小熵的影响考虑进来，从而实现了最小熵的精确估算。同时在随机数产生过程中，可以对测量端进行安全性校验，解决了测量端器件漏洞带来的安全隐患。原始数据经过后处理之后，可以得到最终的测量端器件无关的量子随机数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种测量端器件无关的量子随机数发生器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种测量端器件无关的量子随机数发生器，如图1所示，其主要包括：可信的随机源1与不可信的测量端2两个部分；
所述可信的随机源1随机地工作在随机数产生模式和安全性校验模式下；在随机数产生模式时，所述可信的随机源1发送固定的量子态给所述不可信的测量端2，并由所述不可信的测量端2进行测量；在安全性校验模式，所述可信的随机源1随机地发送不同的量子态给所述不可信的测量端2，根据不可信的测量端2输出的测量结果，进行实时安全性校验，同时根据测量结果估算出原始随机数据的最小熵，从而产出与测量端器件无关的量子随机数。
本发明实施例中，所述可信的随机源主要包括：脉冲激光光源11、不等臂干涉仪12、强度调制器13、相位调制器14与可调衰减器15；其中：
所述脉冲激光光源11产生相位随机的弱相干激光脉冲输出至所述不等臂干涉仪12；所述不等臂干涉仪12将弱相干激光脉冲分成前后两个激光脉冲输出；输出的前后两个激光脉冲依次经过所述强度调制器13与所述相位调制器14进行强度调制和相位调制后，再经过所述可调衰减器15衰减至单光子水平，从而实现时间-相位编码下的量子态的制备。
本发明实施例中，所述不可信的测量端包括：单光子探测器21与时间数字转换器22；其中：
所述单光子探测器21用于探测所述可信的随机源1制备的量子态，并输出探测信号到所述时间数字转换器22；
所述时间数字转换器22，用于给出探测信号的时间信息，并根据时间信息判断探测到的光子属于前后两个脉冲的哪一个，实现对量子态的测量。
具体来说，在随机数产生模式时，所述可信的随机源发送固定的量子态|+>给所述不可信的测量端，并由所述不可信的测量端使用约定的测量基矢对量子态|+>测量，测量结果为0与1的概率均为1/2；此外，在没有探测到光子时也输出一个结果，可约定为比特‘0’，也可以约定为比特‘1’。这样每测量一个量子态，就可以得到一个比特的原始数据。
在安全性校验模式，所述可信的随机源随机地发送量子态|0>、|1>、|+>与|+i>中的一个，所述不可信的测量端2依然输出比特‘0’或者‘1’，根据其输出的结果，通过分析与计算得到原始数据的最小熵。其中，|0>与|1>为泡利矩阵z分量σz的本征态，
最小熵的计算公式如下：
上式中，μ为可信的随机源中的脉冲激光光源输出的平均光子数，可以通过理论分析与模拟来优化，并由可调衰减器来控制该参数。a1、ny与nz是根据测量结果计算得到的实验参数，计算过程由下式给出
其中pi(i＝1,2,3,4)是在安全性校验模式中，可信的随机源发送量子态|0>、|1>、|+>与|+i>时，实际测得的不可信的测量端输出比特‘0’的概率，θi(i＝1,2,3,4)是有限的数据量情况下，对应的统计波动，由下式计算得到
其中ξi(θi)的定义如下
其中εθ为给定允许的失败概率，默认取值为εθ＝1/2100，n0为随机性产生模式运行的轮数，ni(i＝1,2,3,4)为安全性校验模式中，发送量子态|0>、|1>、|+>与|+i>时的轮数。
在本发明实施例中，一次运行周期内，可信的随机源会发送n个量子态序列给不可信的测量端，其中有m(m＜＜n)个位置被随机地选择出来用于发送测试量子态(也就是安全性校验)。在每个测试量子态位置上，随机地发送量子态|0>、|1>、|+>与|+i>中的一个给不可信的测量端。
在每个运行周期内，一个测试态是由(log2n+2)个比特的量子随机数决定的，其中log2n个比特决定测试态在n个量子态序列中的位置，另外2个比特用于决定测试态是量子态|0>、|1>、|+>与|+i>中的哪一个。每个运行周期需要消耗m×(log2n+2)比特的量子随机数，输出n比特的原始量子随机数，准备并测试了m个测试量子态。根据测试量子态的结果以及前述的公式，可以估算出原始随机数据的最小熵。原始数据经过提取，可以得到最终的测量端器件无关的量子随机数。
示例性的，所使用的单光子探测器的探测效率约为25％，对应的最优平均光子数μ＝0.06，选取n＝234，m＝215，那么运行周期需要消耗36×215比特的量子随机数，得到234(约16g)比特的原始量子随机数，准备并测试了215个测试量子态。本发明的实施例共运行100次，总计生成约100×215(约3.2mbits)个测试量子态以及约1600gbits的原始数据。根据测试态的测试结果，估算出最小熵为2.3×10-4比特每比特，因此可从1600gbits的原始数据中最终提取出约390mbits的测量器件无关的量子随机数。此外，准备测试态消耗的量子随机数约115.2mbits，因此，量子随机数的输出与输入比大约为3.4。
在本发明中，弱相干光源采用激光脉冲工作方式，因此最终的量子随机数比特率正比于f*h∞，其中f为脉冲工作频率，h∞为最小熵。示例性的，f＝25mhz，h∞＝2.3×10-4，对应的最终比特率约为5.75kbps。通过提高系统工作频率，可进一步提高量子随机数比特率。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。