量子图像传感器量子随机数生成的制作方法

本申请要求于2017年5月5日提交的美国临时申请no.62/332,077的权益，其通过引用整体并入本文，以用于每个pct成员国和地区的目的，其中，这样通过引用的并入被许可或以其他方式不被禁止。

本公开一般涉及随机数生成(rngn)，使用光检测器的随机数生成，并且更具体地，涉及基于高随机、非确定性的基于光子激射的随机数生成。

背景技术：

生成高质量的随机数对于诸如密码学、科学计算(蒙特卡罗数值模拟)和投机的若干应用变得越来越重要。随着计算机使用领域的扩展和电子通信网络的快速发展，这类应用的数量迅速增长。例如，密码学是最迫切需要的应用之一。这涉及用于确保通信的保密性、真实性和完整性的算法和协议，它们需要真随机数来生成加密。然而，使用确定性算法(例如，伪随机数发生器(prng))不能获得高质量的随机数；相反，可以依赖实际的物理过程来生成高质量的随机数。最可靠的过程是根本上随机的量子物理过程。实际上，亚原子粒子在量子水平上的行为的内在随机性是自然界中为数不多的完全随机过程之一。通过将随机数发生器(rng)的结果与量子粒子的随机行为联系起来，可以保证真正无偏且不可预测的系统，其可以被称为量子随机数发生器(qrng)。

光子激射是泊松过程，并且已经被用作rngn中的随机源。在先前基于光子激射的rngn技术中使用的光子探测器包括单光子雪崩二极管(spad)和传统的cmos图像传感器(cis)。spad可以提供单光子检测能力并基于光子量子效应实现qrngn，但是相对大的尺寸(例如，spad阵列中的7-20μm像素间距)限制了每单位面积尺寸的数据输出速率。而且，spad中的高暗计数率(例如，-1000计数/秒)降低了随机性质量。传统的cis受到读出电子器件中相对高的噪声基底(例如，＞1e-r.m.s.)的限制，并且不具有单光子检测能力。在这种情况下，光子信号明显被读噪声破坏，并且由于读噪声也是随机分布的，使用传统cis的rngn过程不是完全基于量子效应的，因此限制了输出的随机性质量和稳定性。

因此，需要对qrng进一步研究和改进，以例如提供更充分地利用和/或实现基于量子的随机性的qrng。并且，这样的研究和改进可以增大光子计数精度、降低噪声、减少暗电流、增大输出数据速率和/或增大可扩展性。

技术实现要素：

为了例如解决qrng的上述和/或其他限制中的至少一个或多个，本公开的一些实施例提供了用于基于单比特或多比特量子图像传感器(qis)的量子随机数生成的方法和装置，所述qis提供在时间间隔内针对qis的像素阵列的每个像素的的单光子计数，其中基于针对每个像素在该时间间隔内计数的光子数生成随机数数据。

在一些实施例中，qrng包括：(i)qis，所述qis包括像素阵列，其中每个像素被配置为将入射在所述像素上的单个光子转换为存储在所述像素中的单个光电荷载流子(电子或空穴)，并且其中所述qis被配置为以单个光电荷载流子灵敏度(从而，提供单光子灵敏度)从每个像素读出光电荷载流子(如果在时间间隔内有光电荷载流子存储在该像素中)，以便生成与所存储的光电荷载流子的数量相对应的像素信号(例如，模拟电压信号或数字数/信号)；以及(ii)比较电路，被配置为针对每个像素将像素信号与阈值电平进行比较(例如，在模拟或数字域中)，以便针对每个像素生成具有二进制值的比特，所述二进制值取决于像素信号是小于阈值电平还是不小于阈值电平，其中所述二进制值基于阈值电平基本上是等概率的，从而提供具有高质量随机性的二进制输出数据(例如，比特熵约为1)。

比较电路的全部或部分可以与qis的像素阵列单片集成；在一些实施例中，qis读出电路可以包含或包括比较电路。

在一些实施例中，qrng还可以包括以下项中的一个或多个：(i)光子源，被配置为生成入射在qis像素阵列上的光子；(ii)光调节器，被设置成使得由光子源激射的光子在撞击像素阵列之前撞击所述光调节器；以及(iii)随机性提取器，被配置为处理根据读出qis所产生的数据(例如，随机输出数据或数字像素信号)。

在各种实施例中，qrng可以包括控制电路，控制电路被配置为例如调整或控制阈值电平、像素累积光电荷载流子的时间间隔、光子源激射强度和/或光调节器中的一个或多个，以使qis生成的随机数数据的随机性(例如，根据比特熵度量)最大化。在一些实施例中，这种调整控制可以基于例如监视量子曝光和/或测量/监视所生成的随机数数据的随机性。

根据一些实施例，单比特或多比特qis包括像素阵列(例如，点)，每个像素被配置用于将入射光子光转换成相应的光电荷(例如，电子(e)或空穴(h+))，并且具有足够的像素内转换增益而没有像素内雪崩增益，以提供具有单电子灵敏度和分辨率的光电荷读出，从而提供在该时间间隔内的单光子计数。根据各种实施例，像素内转换增益可以是至少420μv/电荷-载流子(e-或h+)，并且可以是大于500μy/电荷-载流子(e-或h+)，并且还可以是超过1000μv/电荷-载流子(e-或h+)。并且，根据各种实施例，与每个qis像素相关联的读噪声是约0.5电荷载流子(e-或h+)rms或更小，并且可以是约0.3e-或h+rms或更小，并且还可以是约0.15e-或h+rms或更小。每个qis像素可以包括电荷存储(累积)区域，其被配置为存储(累积)在该时间间隔内在像素中生成的并且在该时间间隔之后从像素读出的光电荷。像素存储区域的全阱电荷存储容量可以根据实现方式而变化(例如，单比特或多比特qis、转换增益、读出链上的电压限制、目标阈值电平等)。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有规定，否则以下术语至少具有本文中明确关联的含义。以下确定含义不一定限制术语，而只是提供术语的说明性示例。本文中所使用的短语“实施例”不一定指代相同的实施例，尽管其可以这样指代。另外，“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用；因此，例如“实施例”不限于单个实施例，而是指一个或多个实施例。类似地，短语“一个实施例”不一定指相同的实施例，并且不限于单个实施例。如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”是包容性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”。除非上下文另有明确规定，否则术语“基于”不是排他性的，并且允许基于未描述的其他因素。

此外，如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则术语“耦接”是指直接连接或通过一个或多个中间组件间接连接，并且在一些上下文中，也可以表示或包括电耦接(例如，导电耦接、电容耦接和/或电感耦接)。此外，“导电耦接”是指经由一个或多个中间组件耦接，一个或多个中间组件允许经由传导电流来进行能量转移，该传导电流能够包括直流电流以及交流电流，而“电容耦接”是指通过一个或多个介电介质并且还可能经由一个或多个中间导体来静电耦接(例如，经由一系列电容性组件)，所述中间导体允许经由位移电流而不是经由直流电流来进行能量转移。本领域技术人员将进一步理解，元件可以有意地或无意地(例如，寄生地)电容耦接，并且在一些上下文中，被称为电容耦接的元件可以是有意的电容耦接。此外，本领域技术人员还将理解，在一些上下文中，术语“耦接”可以指通过直接和/或间接连接的操作耦接。例如，被称为耦接到晶体管的栅极的导体(例如，控制线)可以指导体可操作以控制栅极电势，以便控制晶体管的操作(例如，将晶体管在“开”和“关”状态之间进行切换)，而不管导体是否间接(例如，经由另一晶体管等)和/或直接连接到栅极。

因此，如本文所使用的，为了便于参考，如果两个层、区域或其他结构/元件不包括一个或多个中间层、区域(例如，掺杂区域)或其他结构/元件，则可以将其称为“相邻”。换句话说，在空间上彼此提及(例如，“在……之上”、“在……上方”、“上覆”、“在……之下”、“下覆”等)的两个层、区域或其他结构/元件可以有一个或多个中间层、区域或其他结构/元件。然而，词语“相邻”(或者类似的“直接”，诸如“直接在……之上”、“直接上覆”等)的使用表示不存在中间层、区域或其他结构/元件。

本领域技术人员将理解，前面的简要描述和关于附图的以下描述是本发明的一些实施例的说明和解释，并且既不是代表性的也不包括本发明范围内的所有主题和实施例，也不旨在限定或表征本发明或者限制可以通过本发明的实施例实现的优点，也不旨在要求本发明必须提供本文中关于一些实施例所描述的优点中的一个或多个。因此，在本文中所提及的并构成本发明的一部分的附图示出了本发明的一些实施例，并且这些实施例与详细描述一起用于解释本发明的一些实施例的原理。

附图说明

鉴于结合附图的非限制性的和非排他性的实施例的以下描述，本发明的一些实施例的关于结构和操作两者的方面、特征和优点将被理解并将变得更加清楚，在附图中相同的附图标记表示各个附图中相同或相似的部分，并且在附图中：

图1示意性地描绘了根据本公开的一些实施例的说明性量子图像传感器(qis)量子随机数发生器(qrng)的高级框图；以及

图2描绘了根据本公开的一些实施例的与实现qisqrng相关的输出信号分布和二进制数据转换的说明性示例。

具体实施方式

根据本公开的一些实施例，基于量子图像传感器(qis)生成随机数，该量子图像传感器提供对从具有泊松光子激射统计规律的光子源激射的光子的单光子检测，其中对于每个qis像素(例如，点(jot))在时间间隔内由qis像素检测的光子数是用于量子随机数生成(qrngn)的量子随机变量。如本领域技术人员根据本公开内容将理解的，这样的qisqrngn实施例克服(及其方面)已知的基于spad和传统的基于cis的随机数发生器(rng)的限制(例如，诸如如上所述的限制)，并提供高质量的量子随机数生成。

并且，更具体地，如将根据随后的描述将理解的，在根据本公开的qis量子随机数发生器(qrng)的一些实施例中，qisqrng的每个像素(例如，点)用于基于阈值(例如，在下文说明性实施例中的阈值ut)与信号之间的比较来生成随机数，该信号是通过读出像素而产生的并且对应于在给定时间间隔内由像素检测到的各个光子的数量。

对于每个给定时间间隔(例如，帧)在每个点中收集的给定平均数量的光电子(在此称为量子曝光(h))，可以选择阈值，使得信号小于该阈值的概率等于(或基本上等于)信号大于或等于该阈值的概率，从而提供了高质量的二进制量子随机数生成。鉴于本公开还将理解，在一些实施例中，可以控制(例如，动态地，基于反馈)阈值，以从例如量子曝光中的时间波动(例如，由光子源的平均激射强度变化造成)角度确保质量随机性。备选地或附加地，可以控制量子曝光以确保质量随机性(例如，通过控制光子源激射速率和/或像素积分时间)。

另外，在一些实施例中，根据qis输出生成的随机数据可以被输入到随机性提取器并由随机性提取器进行处理，以提供具有进一步改善的随机性质量的随机数数据。与例如先前的基于spad和基于cis的rng相比，qis输出的随机数据的随机性质量可以需要大大减少的后处理(例如，随机性提取处理)。并且，一些实施例可以提供高质量的量子随机数生成，而不需要随机性提取器。

现在参考图1，描绘了根据本公开的一些实施例的说明性qisqrng的示意性高级框图。如图所示，说明性qisqrng实施例包括：在控制电路16的控制下的光子源12和光调节器14、量子图像传感器(qis)20和随机性提取器30。配置光子源12、调节器14和qis20(例如，根据位置/对准，和/或使用反射、光波导(例如，使用光纤或其他波导结构)和/或其他光学组件)，使得光源12激射的光子经由光调节器14撞击qis20的qis像素阵列21。在各种实施例中，qisqrng可以单片地实现(例如，形成在相同的半导体衬底上)，或者实现为两个或更多个单独的芯片(例如，管芯)或其他组件。例如，在一些实施例中，光子源12可以形成在第一管芯上，qis20可以形成为第二管芯上的背照式成像器，并且提取器30(以及可能的附加处理和/或缓冲电路)可以形成在第三管芯上，其中第一、第二和第三管芯垂直堆叠(以夹层状方式)并集成。

光子源12可以实现为根据泊松统计规律激射光子的各种光源中的任何一种，例如，一个或多个发光二极管(led；例如，硅(si)led器件或硅led阵列)，或一个或多个激光二极管(例如，用高于阈值的驱动电流来驱动)。在这样的实施例中，例如，光子源12激射的光子信号的强度可以是由电路16根据led或激光器驱动电流来控制的。备选地或附加地，可以基于光子源与像素阵列的相对位置来调整在qis中生成的光载流子(例如，光电子)速率，并且在一些实施例中，该相对位置被配置为可控制/可调节的(例如，手动和/或自动(例如，不需要用户输入))。然而，在一些实施例中，光子源12(和任何光子源控制电路)可以独立于qisqrng装置；例如，在一些这样的实施例中，光子源12可以是独立的光子源，例如，可以由qis20检测到的环境光源。换句话说，在这样的实施例中，光子源可以不被认为是qisqrng装置的一部分，尽管根据本公开的qisqrng实施例可以被配置为包括光子源12以及其驱动/供电电路和/或控制电路。

可以包括作为可选组件的光调节器14，以提供对撞击qis阵列21的光子信号的附加控制。例如，光调节器可以是可控的衰减器、分束器等。

qis20被示意性地描绘为包括像素(例如，点)阵列21；包括可编程增益放大器(pga)22、相关双采样(cds)电路24和模数转换器(adc)26在内的读出链，这些组件在控制电路28的控制下，控制电路28也可以与控制电路16耦接，用于协调控制光子源12、光调节器14和qis20，以提供从qis输出的高质量量子随机数数据信号qrn120(例如，通过控制h和/或ut，如下面将进一步理解的)。应当理解，为了清楚地描述qisqrng的关于qis像素阵列21内的单个像素(点)的读出的操作，阐述了qis20的简化框图，其中，qis像素阵列可以包括约十亿或更多(例如，数十亿)的亚衍射极限像素，其中所述亚衍射极限像素是以列并行方式逐行读出的，每列像素与包括pga、cds和adc电路的读出链相关联(尽管例如在一些实施例中，所有列可以并非是同时并行读出的，这是因为两个或更多列的组可以共享读出链电路(例如，诸如共享至少一个adc))。另外，例如，qis20可以包括附加电路，例如耦接在adc26的输出和到提取器30的输入之间的输出缓冲器和/或图像/数据处理电路(例如，作为非限制性示例，数据qrn1可以被输入到图像/数据处理电路可访问的缓冲器，该图像/数据处理电路被配置为处理qrn1数据并将处理后的数据写回缓冲器以输出到提取器30)。

根据实现方式，qis20可以是单比特qis或多比特qis。在一些实施例中，qis20的每个像素/点都具有单电子灵敏度(例如，～0.15e-rms)，其可以从高像素内转换增益获得，例如，大于500μv/e-，并且大于1000μv/e。如所描述的，qis20可以包括至少十亿个点(至少1个g的点，例如，几g的点)，但是一些实施例可以使用少于1个g的点(例如，-0.1g的点或更多)。并且，读出速度可以大于1000fps，这产生大约100gb/s到大于1tb/s(例如，几tb/s)的输出数据速率(例如，对于单比特qis)。取决于应用，输出数据速率可以根据qis阵列中的点的数量而变化和/或可以改变读出扫描速率。

qis点可以实现为泵门点(pump-gatejots)；然而，可以采用任何合适的用于实现单比特或多比特qis的点设备(例如，具有足够的用于单个光载流子检测的转换增益)。鉴于例如以下出版物中的每一个，本领域技术人员可以理解关于根据本公开的实施例的qisqrng中的qis的实现方式的附加方面和细节，每个出版物在此通过引用并入本文：(i)pct国际申请公布号wo/2015/153806(对应于pct国际申请号pct/us2015/023945)，“cmosimagesensorwithpumpgateandextremelyhighconversiongain”，2015年10月8日公布；(ii)j.ma和e.r.fossum，apump-gatejotdevicewithhighconversiongainforquantaimagesensors，ieeej.electrondevicessociety，第3(2)卷，第73-77页，2015年3月；(iii)j.ma和e.r.fossum，quantaimagesensorjotwithsub0.3e-r.m.s.readnoiseandphotoncountingcapabihty，ieeeelectrondeviceletters，第36(9)卷，第926-928页，2015年9月；(iv)j.ma，d.starkey，a.rao，k.odame和e.r.fossum，characterizationofquantaimagesensorpump-gatejotswithdeepsub-electronreadnoise，ieeej.electrondevicessociety，第3(6)卷，第472-480页，2015年11月；以及(v)s.masoodian，a.rao，j.ma，k.odame和e.r.fossum，a2.5pj/bbinaryimagesensorasapathfinderforquantaimagesensors，ieeetrans.electrondevices，第63(1)卷，第100-105页，2016年1月。

如将理解的，读出qis阵列21中的点类似于从常规cis中的像素读出累积电荷。在读出期间，对应于在该点中累积的电荷的点输出信号(例如，来自点内源后放大器的输出，未示出)可以耦合到列总线(例如，对应于pga22的输入)，导致相应的模拟信号通过pga22和cds24电路被耦接到adc26的输入。adc26将输入的模拟信号转换为n位数字信号。

在单比特qis中，比特宽度(n)是一(1)，并且adc的二进制输出对应于从cds24输入到adc26的模拟信号(“adc信号输入”)小于ut还是不小于ut。如上所述，并且鉴于随后的公开内容(以及2017年5月5日提交的优先权美国临时申请no.62/332,077的附录，其通过引用整体并入本文)可以进一步理解，可以选择ut使得这些情况是等概率的，从而基于光子源的量子光学随机性提供具有高质量随机性(例如，比特熵～1)的二进制输出(例如，qrn1)。

在一些多比特qis实施例中，位宽(n)可以是例如2和约6之间的整数值(例如，1＜n＜6)。在一些这样的实施例中，lsb可以对应于一个光电子。然而，应该理解，在各种备选实施例中，还可以配置adc使得lsb小于一个光电子的等效值(例如，0.2个电子)。一些多比特qis实施例可以使用多于6位，并且adc输出的dn可以基于可以由点检测/计数的光电子的数量、读出噪声和增益(例如，点转换增益、pga增益)，在输入到adc的模拟信号范围的范围上进行线性缩放。

在一些实施例中，控制电路28可以将阈值ut作为模拟信号提供给adc26(例如，控制电路28可以将数字ut信号转换为模拟ut信号；或者ut可以来源于控制电路28中的模拟信号)，adc26可以将模拟域中的阈值ut与从cds24输入到adc26的模拟信号(“adc信号输入”)进行比较，并根据adc信号输入是小于ut还是不小于ut而输出二进制值(例如，“0”或“1”)。类似地，可以实现这种模拟域比较，其中控制电路28向adc24提供数字ut值，adc24可以包括数模转换器(dac)电路，以将ut转换为模拟信号。

在一些实施例中，可以在数字域中执行与ut的比较。例如，adc26可以将adc信号输入转换为多位数字(dn)。可以将该多位数字数字与ut的数字表示进行比较(例如，该数字表示可以是根据模拟ut信号生成的，或者可以来源于数字值)，并且可以基于dn是小于ut还是不小于ut而生成二进制值。可以理解，这种数字比较可以在qis内实现(例如，在adc输出之后的电路中(未示出)；或者，在一些实现方式中，这样的电路也可以体现在adc26中(或者被认为是逻辑上的一部分))。备选地，例如，这种数字比较电路可以在qis外部(例如，芯片外)实现，并且在一些实施例中可以在提取器30内实现。

因此，在一些多比特qis实施例中，adc的输出可以是多比特位数字(dn)(例如，表示adc输入信号)，其可以被提供给附加电路，以基于与阈值的比较来生成单比特随机数比特流。并且，在一些多比特qis实施例中，adc的输出可以是单比特随机数比特流(例如，其中adc包含数字域比较电路)。

如所指出的，在一些实施例中，这种adc后的数字域比较电路可以体现在随机性提取器30中，随机性提取器30可以进一步处理随机数比特流，以使用本领域技术人员已知的技术(例如，基于散列和/或矩阵乘法的压缩算法)来提供具有改善的随机性的随机数比特流qrn2。然而，在一些实施例中，可能不需要随机性提取器22(因此，可能不被包括作为qisqrng的一部分)。例如，qisqrng可以被配置为周期性地或非周期性地调整/控制例如阈值(ut)、点检测时间间隔和光子源激射强度中的一个或多个，以使生成的随机数数据(例如，qrn1)的随机性(例如，根据比特熵度量)最大化。在一些实施例中，这种调整控制可以基于例如监视量子曝光和/或测量/监视所生成的随机数数据的随机性。

鉴于以下内容以及2017年5月5日提交的优先权美国临时申请no.62/332,077(该临时申请的全部内容通过引用并入本文)的附录，可以进一步理解根据本公开的一些实施例的用于实现qisqrng的设计和操作原理。

在qis中(如在传统的cis中)，光信号被转换为一个像素/点中的电压信号并且被读出链中的噪声破坏。输出信号的分布是光电子到达的泊松分布与噪声的正态分布之间的卷积。图2中示出了信号分布的示例。光电子的平均速率定义为量子曝光h。在单比特qis中，在读出链中设置了用于将输出信号转换为二进制数据的人工阈值ut(例如，0.5e-)：高于ut的输出信号将被转换为“1”，并且当输出信号低于ut时将被转换为“0”。“1”状态的概率是：

其中un是传感器的读噪声，且“0”状态的概率是：

p[u≥ut]＝1-p[u＜ut]

给定适当的量子曝光h(例如，h＜1)，则可以根据一个点的一个读数生成1比特随机数。基于qis的随机数发生器可以包括qis设备和稳定光源(例如，如上文结合根据图1的实施例及其一些变型所描述的)。理想随机数发生器被期望成以相等概率生成“0”和“1”；否则，可能需要应用提取器来选择有用的数据。最小熵表示有用数据的百分比，由下式给出：

smin＝-log2[max(p[u≥ut]，p[u＜ut])]

最终期望熵接近1。为了实现这一点，可以通过照明条件(例如，光源、封装、qis积分时间)建立量子曝光h＝loge(2)。

如上所述，在2017年5月5日提交的优先权美国临时申请no.62/332,077的附录中给出对根据本公开的一些实施例的qisqrng的进一步描述(包括其操作原理)，该临时申请通过引用将全部并入本文，该附录被列为题为“quantumrandomnumbergenerationusingquantaimagesensor”的文章，其示出了本发明的一些实施例以及可能与一些实施例相关联的各种特征和优点，并且该文章不意图限制本发明。

鉴于本公开，将理解qisqrng提供了许多特征和优点，其中，该qisqrng克服了已知spad和传统的基于cis的rng的限制等。例如，如所讨论的，qis可以包括，例如，具有光子计数能力的100m个点至一千兆或更多千兆个点，其中点阵列具有亚微米间距(例如，200nm-500nm)，并且可以以高帧速率(1000fps)读出所述qis。因此，这些特征(例如，小的点尺寸和高速度)为qisqrng提供极高的数据输出速率。并且，点设备的光子计数能力可以确保qrng是完全基于光子量子效应的。此外，低暗电流(例如，室温下0.1e-/sec)提供改善的随机性质量和稳定性。简而言之，基于qis的qrng设备的一些实施提供了高数据速率(例如，5-12gb/s)、低暗电流误差和高稳定性等。

因此，尽管对本发明的说明性实施例的以及本发明的各种说明性的修改和特征的以上描述提供了许多特异性，但是这些使能细节不应被解释为限制本发明的范围，并且本领域技术人员将容易理解，在不脱离本发明的范围并且不降低其伴随的优点的情况下，本发明易于进行许多修改、适应、变化、省略、添加和等效实现。例如，除了在处理本身所必需或固有的范围之外，不暗示本公开(包括附图)中描述的方法或处理的步骤或阶段的特定顺序。在许多情况下，可以改变处理步骤的顺序，并且可以在不改变所述方法的目的、效果或意义的情况下组合、改变或省略各种说明性步骤。类似地，组件的结构和/或功能可以组合成单个组件或分为两个或更多个组件。还应注意，术语和表述被用作描述的术语而非限制的术语。不旨在使用术语或表述来排除所示和所述的特征或其一部分的任何等同物。另外，本发明可以在不必须提供本文所描述的一个或多个优点、鉴于本公开所理解出的其它优点和/或可以在本公开的一些实施例中实现的优点情况下进行实践。因此，意图是本发明不限于所公开的实施例，而是应当根据基于本公开的权利要求来定义，这些权利要求可以在本文和/或在基于本公开和/或对应于本公开要求优先权的任何专利申请中呈现。