一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器的制作方法

本实用新型属于量子通信技术领域，尤其是一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器。

背景技术：

量子随机数是一种通过对量子的物理过程、物理现象进行测量采样所产生的随机数。它的量子随机性(quantum randomness)来源于量子力学的不确定性，由量子力学的基本原理所保证，具有清晰的物理图像和物理基础。量子力学所内禀的不确定性使得通过测量量子信号源获得的量子随机数具有天然的随机性，且不受初始条件或外界环境的影响，其安全性较高，适用于各种安全性要求较高的应用场景。

目前随机数发生方案主要包括伪随机数发生器和物理随机数发生器，其中物理随机数发生器可以根据其原理不同又细分为经典物理随机数发生器和量子随机数发生器。伪随机数是基于复杂的数学算法得到的，同一个算法对于给定的初始状态(种子)会生成完全相同的序列，虽然这种序列看起来像是随机的，但实际上这种序列存在长周期性，所以伪随机数不符合真随机数的基本特征，并非真随机数。但对于许多一般的场合，伪随机数发生器已经可以满足实际需要。经典物理随机数发生器的随机信号源来自确定性的经典物理过程，但因为其物理系统往往是复杂体系，所以很难预测产生的随机数，但从理论的角度来看，当获知了其所有初始条件的情况下依然是可以预测的。

量子随机数来源于量子力学内禀的不确定性，具有天然的随机性和清晰的物理基础，是一种真随机数。由于上述优点，国际上许多科研机构对其理论和应用进行了深入研究，同时一些公司也陆续推出了商用化的量子随机数发生器。

基于激光相位波动的量子随机数发生器方案介绍：随机数产生速率是量子随机数发生器的关键指标，为了显著得提高量子随机数的发生速率，许多基于连续变量测量的量子随机数发生器方案被提出，例如基于激光相位波动(laser phase fluctuations)的量子随机数产生方案。激光二极管发射出来的光子来自于两种机制：受激辐射 (stimulated emission)与自发辐射(spontaneousemission)。在标准的量子光学模型中，受激辐射产生的光子通常被认为具有固定的相位，而自发辐射产生的光子，其相位是随机的。因此，激光二极管发出的光子的总相位总是随着时间在波动，可以作为产生量子随机数的随机变量。

现有方案如图1所示，使用激光二极管产生激光作为量子随机信号源，激光进入一个单臂长差的不等臂干涉仪，相位的随机波动转化为光强的随机波动，使用一个高速光电探测器(Photon Detector)探测转化为噪声形式的电信号，最终被模数转换器(ADC) 采集并数字化为原始随机数，原始随机数经实时后处理后形成量子随机数。

模数转换器是量子随机数获取核心器件，该器件的合理选择对整个量子随机数发生器至关重要。选择模数转换器芯片时需要考虑分辨率和采样率两个关键指标。基于香农采样定理，只有采样频率超过被采样信号最大频率的两倍以上，才能避免发生频谱混叠。在实际应用中，由于被采样信号并非理想的截断谱，为了尽量减少频谱混叠的影响，一般取采样频率为采样信号-3dB频率的3～5倍以上。

但是，发明人在本申请的研究过程中发现，激光二极管产生激光的频率可以到10G 至50G(甚至更高)，但是市面所售的模数转换器的采样率很少可以超过5G，而且随着模数转换器的采样率增加，其分辨率指标也在降低。例如，采样率为10M时分辨率通常可以达到16～18bit，而采样率达到1G时分辨率只能达到12～14bit，当采样率达到26G 时分辨率只有3bit。(需要特别说明是采样率达到26G的芯片HMCAD5831对中国大陆禁运)

由于上述因素，量子随机数发生器的性能受限于电子学器件性能(特别是高速模数转换器)，从而导致随机数生成速率较低的问题。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，采用多个不等臂的干涉仪产生多个干涉脉冲，通过模数转换器采样产生更多的量子随机数，实现量子随机数的产生不受电子学器件、特别是高速模数转换器的性能限制，降低了单个分支对模数转换器采样的高速要求，显著提高量子随机数的发生速率。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，包括：

一激光光源，用于将激光束输出到干涉仪组中；

一干涉仪组，包括n个不等臂干涉仪，用于对输入的激光束发生干涉并将干涉结果输出到探测采样模块组中；

一探测采样模块组，包括n个光电探测器和n个模数转换器，用于对干涉结果的干涉强度进行探测采样，生成随机数序列并输出到随机数输出模块组中，n为正整数；

一随机数输出模块组，用于对所有的随机数进行输出。

进一步的，本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，激光光源的发光方式为周期脉冲光，发光周期为f，则前后两脉冲光在时域上的时间间隔为 T0＝1/f。

进一步的，本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，干涉仪组中的n个不等臂干涉仪之间为并联连接或串联连接，且每个不等臂干涉仪的输出端均串联一光电探测器和一模数转换器。

进一步的，本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，第p个不等臂干涉仪的臂长差Lp满足：使第ap个光脉冲和第ap+ip个光脉冲干涉，即 Lp＝c·ip·T0/n'，1≤p≤n，p为正整数，c为光速，ip为正整数，每个不等臂干涉仪的 ip值均不相等，ap为正整数且ap＞1，n'为光纤折射率。

进一步的，本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，干涉仪组中的n个不等臂干涉仪分为2组，第一组与第二组之间为串联连接，第一组包括m个干涉仪，第二组包括n-m个干涉仪，同一组内各干涉仪为并联连接，且每个不等臂干涉仪的输出端均串联一光电探测器和一模数转换器。

进一步的，本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，第一组中第 q个不等臂干涉仪的臂长差Lq满足：使第aq个光脉冲和第aq+iq个光脉冲干涉，即 Lq＝c·iq·T0/n'，1≤q≤m，q为正整数，c为光速，iq为正整数，每个不等臂干涉仪的iq值均不相等，aq为正整数且aq＞1，n'为光纤折射率；

第二组中第r个不等臂干涉仪的臂长差Lr满足：使第ar个光脉冲和第ar+ir个光脉冲干涉，即Lr＝c·ir·T0/n'，1≤r≤n-m，r为正整数，ir为正整数，每个不等臂干涉仪的ir值均不相等，ir≠iq，ar为正整数且ar＞1。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器采用多个不等臂的干涉仪产生多个干涉脉冲，降低了单个分支对模数转换器采样的高速要求，显著提高了随机数的产生速率。

2、本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器实现量子随机数的产生不受电子学器件、特别是高速模数转换器的性能限制。

3、本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器相比现有技术的随机数发生器能够产生更多的量子随机数。

附图说明

图1是基于相位波动的量子随机数发生器的示意图；

图2是本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器的干涉仪组并联方式示意图；

图3是本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器的干涉仪组串联方式示意图；

图4是本实用新型的基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器的干涉仪组串并联结合方式示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，包括：一激光光源，用于将激光束输出到干涉仪组中；一干涉仪组，包括n个不等臂干涉仪，用于对输入的激光束发生干涉并将干涉结果输出到探测采样模块组中；一探测采样模块组，包括n个光电探测器和n个模数转换器，用于对干涉结果的干涉强度进行探测采样，生成随机数序列并输出到随机数输出模块组中，n为正整数；一随机数输出模块组，用于对所有的随机数进行输出。

实施例1

一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，包括：

一激光光源，用于将激光束输出到干涉仪组中。该激光光源的发光方式为周期脉冲光，发光周期为f，则前后两脉冲光在时域上的时间间隔为T0＝1/f。因激光器发光为脉冲光，所以随意任意两脉冲间的相位都随机，发生干涉后，干涉强度也是随机的。

一干涉仪组，包括n个不等臂干涉仪，用于对输入的激光束发生干涉并将干涉结果输出到探测采样模块组中。如图2所示，干涉仪组中的n个不等臂干涉仪之间为并联连接，且每个不等臂干涉仪的输出端均串联一光电探测器和一模数转换器。第p个不等臂干涉仪的臂长差Lp满足：使第ap个光脉冲和第ap+ip个光脉冲干涉，即Lp＝c·ip·T0/n'， 1≤p≤n，p为正整数，c为光速，ip为正整数，每个不等臂干涉仪的ip值均不相等，ap为正整数且ap＞1，n'为光纤折射率。

例如，第1个不等臂干涉仪的臂长差L1，使第1个光脉冲和第1+1个光脉冲干涉，则第2个不等臂干涉仪的臂长差L2，使第1个光脉冲和第1+2个光脉冲干涉，依次类推。该例子的ap取值为1，当然第1个不等臂干涉仪的ap取值为1，第2个不等臂干涉仪的 ap取值也可以为2，也就是说不同的不等臂干涉仪的ap值可以相同也可以不同。另外该例子的第1个不等臂干涉仪的ip取值为1，第2个不等臂干涉仪的ip取值为2，当然第2 个不等臂干涉仪的ip取值也可以为3，只要每个不等臂干涉仪之间的ip取值均不相同即可。

一探测采样模块组，包括n个光电探测器和n个模数转换器，用于对干涉结果的干涉强度进行探测采样，生成随机数序列并输出到随机数输出模块组中，n为正整数。每个干涉仪干涉后得到的不同干涉结果都需要一个探测采样组件，对随机的干涉强度进行探测采样，进而得出随机数。

一随机数输出模块组，用于对所有的随机数进行输出。对所有分支的随机数进行数据处理，综合得到总的随机数产生速率。由此可知，不仅降低了单个分支对ADC采样的高速要求，而且总的随机数产生速率并没有降低。

实施例2

一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，包括：

一激光光源，用于将激光束输出到干涉仪组中。该激光光源的发光方式为周期脉冲光，发光周期为f，则前后两脉冲光在时域上的时间间隔为T0＝1/f。

一干涉仪组，包括n个不等臂干涉仪，用于对输入的激光束发生干涉并将干涉结果输出到探测采样模块组中。如图3所示，干涉仪组中的n个不等臂干涉仪之间为串联连接，且每个不等臂干涉仪的输出端均串联一光电探测器和一模数转换器。第p个不等臂干涉仪的臂长差Lp满足：使第ap个光脉冲和第ap+ip个光脉冲干涉，即Lp＝c·ip·T0/n'， 1≤p≤n，p为正整数，c为光速，ip为正整数，每个不等臂干涉仪的ip值均不相等，ap为正整数且ap＞1，n'为光纤折射率。本实施例中n个不等臂干涉仪的ap值以及ip的选择要求与实施例1中不等臂干涉仪的ap值以及ip选择要求一致。

一探测采样模块组，包括n个光电探测器和n个模数转换器，用于对干涉结果的干涉强度进行探测采样，生成随机数序列并输出到随机数输出模块组中，n为正整数。每个干涉仪干涉后得到的不同干涉结果都需要一个探测采样组件，对随机的干涉强度进行探测采样，进而得出随机数。

一随机数输出模块组，用于对所有的随机数进行输出。对所有分支的随机数进行数据处理，综合得到总的随机数产生速率。由此可知，不仅降低了单个分支对ADC采样的高速要求，而且总的随机数产生速率并没有降低。

实施例3

一种基于光子自发辐射的高速量子随机数发生器，包括：

一激光光源，用于将激光束输出到干涉仪组中。该激光光源的发光方式为周期脉冲光，发光周期为f，则前后两脉冲光在时域上的时间间隔为T0＝1/f。

一干涉仪组，包括n个不等臂干涉仪，用于对输入的激光束发生干涉并将干涉结果输出到探测采样模块组中。如图4所示，干涉仪组中的n个不等臂干涉仪分为2组，第一组与第二组之间为串联连接，第一组包括m个干涉仪，第二组包括n-m个干涉仪，同一组内各干涉仪为并联连接，且每个不等臂干涉仪的输出端均串联一光电探测器和一模数转换器。本实施例中n个不等臂干涉仪的ap值以及ip的选择要求与实施例1中不等臂干涉仪的ap值以及ip选择要求一致。

第一组中第q个不等臂干涉仪的臂长差Lq满足：使第aq个光脉冲和第aq+iq个光脉冲干涉，即Lq＝c·iq·T0/n'，1≤q≤m，q为正整数，c为光速，iq为正整数，每个不等臂干涉仪的iq值均不相等，aq为正整数且aq＞1，n'为光纤折射率；

第二组中第r个不等臂干涉仪的臂长差Lr满足：使第ar个光脉冲和第ar+ir个光脉冲干涉，即Lr＝c·ir·T0/n'，1≤r≤n-m，r为正整数，ir为正整数，每个不等臂干涉仪的ir值均不相等，ir≠iq，ar为正整数且ar＞1。即每个干涉仪要保证不同的臂长差，且能够满足不同间隔的光脉冲发生干涉，产生多组不同的干涉结果。

一探测采样模块组，包括n个光电探测器和n个模数转换器，用于对干涉结果的干涉强度进行探测采样，生成随机数序列并输出到随机数输出模块组中，n为正整数。每个干涉仪干涉后得到的不同干涉结果都需要一个探测采样组件，对随机的干涉强度进行探测采样，进而得出随机数。

一随机数输出模块组，用于对所有的随机数进行输出。对所有分支的随机数进行数据处理，综合得到总的随机数产生速率。这样就可以降低单个分支对ADC采样的高速要求，而总的随机数产生速率并没有降低。

本实用新型的方案通过采用多个不等臂干涉仪的方式，产生了多个激光干涉脉冲，使用光电探测器、模数转换器对多个干涉脉冲进行采样后，可以产生更多的量子随机数，能够显著提升量子随机数发生器的生成速率。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本实用新型的保护范围。