一种量子随机数产生装置的制作方法

本实用新型涉及信息安全及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子随机数产生装置。

背景技术：

随机数在密码学、统计学、数值仿真、通信、博彩等行业有着广泛应用。目前，应用最多的是基于数学算法产生的随机数和基于物理过程产生的物理随机数，这些随机数本质上都是伪随机数。量子随机数基于量子物理原理，是一种真随机数，具有不可预测性和无周期性，可满足人们对高质量随机数产生的要求，从而受到广泛关注。一种主要的商用量子随机数发生器，如idquantique公司的量子随机数发生器，基于单光子分束探测。该量子随机数发生器由于采用单光子探测器，受限于单光子探测器死时间的约束，其随机数产生速率被限制在mbps水平。由于随机数产生速率慢，该量子随机数发生器的应用有限。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提出一种量子随机数产生装置，其利用激光器自发辐射的相位波动作为随机数源，通过其反射装置为包括具有输入端口和经一条传输光路连接的两个输出端口的偏振分束器的偏振正交旋转反射装置的迈克尔逊干涉仪实现偏振无关干涉而将相位波动转换为光强大小，并通过信号探测获得量子随机数，可大大提高量子随机数生成速率。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种量子随机数产生装置，其特征在于，所述量子随机数产生装置包括：

激光器，所述激光器用于产生激光信号，所述激光信号中包含自发辐射的随机相位噪声；

迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪包括分束器和分别经两条第一传输光路与所述分束器光耦合的两个偏振正交旋转反射装置，所述分束器的未连接至所述两条第一传输光路的一个端口连接至所述激光器，所述分束器用于将来自所述激光器的激光信号分束为两路光信号，所述两条第一传输光路用于分别传输所述两路光信号，所述两个偏振正交旋转反射装置用于分别将来自所述分束器的经所述两条第一传输光路传输来的所述两路光信号反射回所述分束器以由所述分束器合束输出作为干涉信号，其中对于所述两路光信号中的每路光信号，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光信号的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，其中所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合；

探测与信号处理单元，所述探测与信号处理单元连接至所述分束器的未连接至所述两条第一传输光路的另一个端口，用于对所述迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号进行探测，并对探测到的信号进行信号处理以由所述随机相位噪声生成随机数。

2.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光信号均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。

3.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光信号耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光信号耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输。

4.根据方案1所述的量子随机数产生装置，其特征在于，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光信号耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光信号耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输，所述半波片的慢轴与所述包含半波片的保偏光纤的慢轴或快轴的夹角为45度。

5.根据方案1-4中任一所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两条第一传输光路为保偏光纤光路。

6.根据方案1-4中任一所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪还包括：

移相器，所述移相器位于所述两条第一传输光路中之一上，或者位于一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置的第二传输光路上。

7.根据方案1-4中任一所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述激光器产生的所述激光信号为脉冲信号。

8.根据方案7所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述两条第一传输光路中的一条第一传输光路及与所述一条第一传输光路相应的偏振正交旋转反射装置和所述两条第一传输光路中的另一条第一传输光路及与所述另一条第一传输光路相应的偏振正交旋转反射装置导致的传输延时为所述脉冲信号的周期的整数倍。

9.根据方案1-4中任一所述的量子随机数产生装置，其特征在于，所述分束器为保偏耦合器。

本实用新型的量子随机数产生装置利用激光器自发辐射量子现象带来的随机相位涨落产生随机数，可以产生高速随机数，且所产生的随机数为真随机数。另外，该装置通过采用上述的偏振正交旋转反射装置，可以避免因偏振诱导衰落而导致干涉仪干涉不稳定，从而减少偏振噪声的影响。本实用新型提供了一种高速量子随机数产生装置。此外，本实用新型具有光路结构简单、易于应用的优点。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的量子随机数产生装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的量子随机数产生装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本实用新型一优选实施例的量子随机数产生装置如图1所示，包括以下组成部分：激光器101、分束器102、两个反射装置103和104、探测与信号处理单元105。

两个反射装置103和104分别经两条第一传输光路与分束器102光耦合，形成一个迈克尔逊干涉仪。分束器102的未连接至所述两条第一传输光路的一个端口连接至激光器101，分束器102的未连接至所述两条第一传输光路的另一个端口连接至探测与信号处理单元105。

两个反射装置103和104均为同相偏振正交旋转反射装置。

这里，同相偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光信号(例如光脉冲)的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光信号时将该光信号的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，其中反射前后两个正交偏振态之间相位保持同相。

举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个同相偏振正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。反射前x偏振态和y偏振态之间的相位与反射后y偏振态和x偏振态之间的相位相同。

对相位保持同相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为输入光信号(例如输入光脉冲)的状态为其中分别表示x偏振态和y偏振态，a、b分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光信号(例如输出光脉冲)为即，输出光脉冲的两个正交偏振态只产生偏振正交旋转，相位关系保持不变。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为即表示只进行偏振态转换，相位关系保持不变。

与相位保持同相相对的是相位变换为反相。对相位变换为反相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为输入光脉冲的状态为其中分别表示x偏振态和y偏振态，a、b分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光脉冲为即，输出光脉冲的两个正交偏振态不仅产生偏振正交旋转，而且其中一个正交偏振态的相位变换为其反相。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为即表示进行偏振态转换，并且两个正交偏振态中一个偏振态的相位作了反相变换。采用法拉第反射镜作为反射装置的已有方案是这种情况的一个示例。

两个反射装置103和104中的至少一个可以包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合。

根据第一可能的构造，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光信号均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光信号均耦合至该保偏光纤的慢轴传输或均耦合至该保偏光纤的快轴传输可通过该保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光信号始终沿着慢轴传输——即沿着慢轴稳定传输，从保偏光纤的快轴输入的光信号始终沿着快轴传输——即沿着快轴稳定传输。

根据第二可能的构造，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光信号耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光信号耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输。每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。

根据第三可能的构造，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光信号耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光信号耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。通常，输入半波片的光信号的极化方向与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度，在第三构造的情况下，光信号经所述偏振分束器分束后沿所述包含半波片的保偏光纤传输，形成所述第二传输光路的所述包含半波片的保偏光纤的慢轴与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

对于上述第一构造、第二构造和第三构造中任一构造的偏振正交旋转反射装置，偏振正交旋转反射装置中偏振分束器的两个输出端口之间的第二传输光路上可以插入有一个相位调制器，用于对传输通过该相位调制器的光信号进行相位调制。

回到图1的量子随机数产生装置，反射装置103和104中至少之一可以为采用上述第一构造、第二构造和第三构造中之一的偏振正交旋转反射装置。在反射装置103和104中的一个反射装置为采用上述第一构造、第二构造和第三构造中之一的偏振正交旋转反射装置时，另一个反射装置可以为采用上述第一构造、第二构造和第三构造中之一的偏振正交旋转反射装置，也可以为其他构造的偏振正交旋转反射装置。所述其他构造的偏振正交旋转反射装置可以是例如四分之一波片反射镜。“四分之一波片反射镜”包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜。

激光器101用于产生激光信号，激光信号中自发辐射的随机相位噪声用作随机数源。

分束器102用于将入射的任意偏振态的一路输入光信号分束为两路光信号以分别沿两条第一传输光路传输。

两条第一传输光路用于分别传输所述两路光信号。

反射装置103和104分别用于将来自分束器102的经所述两条第一传输光路传输来的所述两路光信号反射回分束器102以由分束器102合束输出作为干涉信号。

探测与信号处理单元105用于对迈克尔逊干涉仪输出的光信号(即，来自分束器102的干涉信号)进行探测，并对探测到的信号进行处理以将激光器101生成的激光信号中的随机相位噪声转换为随机数，由此生成随机数。

所述两条第一传输光路可以是保偏光纤光路。

分束器102可以为保偏耦合器。

在一种可能的应用中，迈克尔逊干涉仪还包括移相器(图1中未示出)。所述移相器可位于所述迈克尔逊干涉仪的两条第一传输光路中之一上，或者位于反射装置103和104中一个包括偏振分束器的反射装置的所述偏振分束器的第二传输光路上，用于对相位漂移进行反馈补偿。

为便于描述，将图1中分束器与反射装置103和104之间的两条第一传输光路分别称为第一上传输光路和第一下传输光路。在一种可能的应用中，激光器101产生的激光信号为脉冲信号；此时，第一上传输光路及与第一上传输光路相应的反射装置103作为整体，和第一下传输光路及与第一下传输光路相应的反射装置104作为整体，导致的传输延时为该脉冲信号的周期的整数倍，例如等于该脉冲信号的周期。

对于图1的量子随机数产生装置，利用偏振正交旋转反射装置103和104处的偏振正交旋转反射，输入至分束器102的激光信号(如激光脉冲)的x偏振态在该分束器分束至该分束器合束的过程中经上述两条第一传输光路传输的相位差恰好等于该激光信号的y偏振态在该分束器分束至该分束器合束的过程中经上述两条第一传输光路传输的相位差。

本实用新型另一优选实施例的量子随机数产生装置如图2所示，包括以下组成部分：激光器201、探测与信号处理单元202、保偏分束器203、偏振分束器204和206、保偏光纤205和207。

偏振分束器204和206中的每个具有输入端口和两个输出端口，并经所述输入端口耦合至保偏分束器203。偏振分束器204的两个输出端口经保偏光纤205彼此光耦合，偏振分束器206的两个输出端口经保偏光纤207彼此光耦合。保偏光纤205和207均为扭转90度的保偏光纤。

偏振分束器204和保偏光纤205构成第一同相偏振正交旋转反射装置，偏振分束器206和保偏光纤207构成第二同相偏振正交旋转反射装置。第一反射装置和第二反射装置分别经由第一上传输光路和第一下传输光路与保偏分束器203光耦合。保偏分束器203一侧的两个端口分别与激光器201和探测与信号处理单元202连接，保偏分束器203另一侧的两个端口分别与第一上传输光路和第一下传输光路连接。

激光器201工作在阈值电流附近，输出光脉冲信号。保偏分束器203与第一反射装置和第二反射装置构成迈克尔逊干涉仪。该干涉仪的第一上传输光路及相应的第一反射装置和该干涉仪的第一下传输光路及相应的第二反射装置产生的传输延时等于激光器输出的光脉冲信号的周期的整数倍，例如等于激光器输出的光脉冲信号的周期。

工作时，激光器201产生的光脉冲输入至保偏分束器203。该光脉冲中包括自发辐射的随机相位噪声，该随机相位噪声导致该光脉冲的相位变换。保偏分束器203将输入的光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿干涉仪的第一上传输光路和第一下传输光路传输。来自保偏分束器203的一路光脉冲传输至第一反射装置并由第一反射装置反射后返回至保偏分束器203。来自保偏分束器203的另一路光脉冲传输至第二反射装置并由第二反射装置反射后返回至保偏分束器203。因为干涉仪的第一上传输光路及相应的第一反射装置和该干涉仪的第一下传输光路及相应的第二反射装置产生的传输延时为激光器输出的光脉冲信号的周期，所以相邻前后周期的光脉冲信号经干涉仪传输反射回保偏分束器203后产生干涉，由此分束器203输出干涉信号，并将其输出至探测与信号处理单元202。这样，激光器201输出的光脉冲的相位变换转换为干涉信号的强度起伏，通过探测和信号处理单元对来自干涉仪的干涉信号进行探测和信号处理由该干涉信号的强度起伏获得随机数。

通过上文的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。