一种基于放大自发辐射的量子随机数产生系统及方法与流程

本发明涉及量子随机数领域，具体涉及一种基于放大自发辐射的量子随机数产生系统及方法。

背景技术：

1、随机数是科学和工程的基础资源，在仿真和密码学中有着重要的应用。一般而言，随机数发生器应当在满足安全性的前提条件下尽可能实用。经典的随机数生成往往是基于确定算法或者可预测的复杂物理现象，这种随机数发生器虽然有着很好的实用性，但其生成的随机数的随机性却无法得到保证，通过这种随机数发生器生成的随机数也被称之为伪随机数，伪随机数是无法满足现今高机密应用中的安全性要求的。量子力学核心的内禀随机性使得量子系统成为熵的完美来源，从而可以用来构建真随机数。

2、目前，量子随机数生成是量子技术中最成熟的技术之一，有多种生成方法可供选择。早期的实用化量子随机数发生器多采用单光子方案。近年来，激光相位波动方案与真空态方案成为研究的热点，这两种方案的共同特点是采用高速光电探测器取代了之前的单光子探测器，使随机数生成速率不再受到单光子探测器饱和计数率的限制，达到gbps的量级。不管是早期的单光子方案，还是近年来的激光相位波动方案与真空态方案，都存在有系统复杂度高、不利于集成、制造成本高等问题。

3、现有技术一种基于放大自发辐射的量子随机数发生器(zl 201620510840.7)可产生量子随机数，具有低成本、小型化等优点，但同时也存在如下缺陷：

4、1、该方案每个光接收单元都并行一个滤波器，而后与超辐射发光二极管连接，这样设计可提高随机数的产生效率，但同时也会使得分束滤波过程中的光强明显衰减，且也对后续用于信号处理的硬件单元提出了更高的要求，不利于降低成本；

5、2、并行滤波器的方案每一路都需要光纤进行连接，这样会提高系统的复杂度及制造成本；

6、3、在实际应用过程中，用户对随机数的产生速率的要求会随着时间的推移而发生变化，该方案系统构造复杂，想要提高随机数的产生速率只能通过增加新的光纤链路实现，这样会使得操作复杂，成本高，且还不利于后续的拓展。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种基于放大自发辐射的量子随机数产生系统及方法，解决了当前并行滤波器方案所带来的光衰减、系统复杂度高、制造成本高、不利于后续拓展等问题。本发明基于放大自发辐射及波分复用技术，降低了分束滤波过程中的光衰减，降低了系统复杂度，降低了制造成本，同时也易于根据客户需求调整随机数的产生速率，系统拓展性增强。

2、技术方案：一种基于放大自发辐射的量子随机数产生系统，所述系统包括光发送模块及光采集模块，所述光发送模块包括光制备单元及连接单元，所述光采集模块包括信号采集单元及数据处理单元，所述光制备单元、连接单元、信号采集单元、数据处理单元依次连接。

3、进一步的，所述连接单元为波分复用器，所述信号采集单元包括与所述连接单元连接的若干个光电探测器及与每个光电探测器一一对应连接的跨阻放大器，所述数据处理单元包括fpga芯片及与fpga芯片连接的若干个模数转换器，所述跨阻放大器与所述模数转换器一一对应连接。

4、进一步的，所述连接单元为波分复用器，所述信号采集单元包括与所述连接单元连接的若干个光电探测器、每个光电探测器一一对应连接的跨阻放大器及若干个差分放大器，所述数据处理单元包括fpga芯片及与fpga芯片连接的若干个模数转换器，所述差分放大器与所述模数转换器一一对应连接，每一个差分放大器与任意两个跨阻放大器连接，每一个跨阻放大器连接一个差分放大器。

5、进一步的，所述光制备单元用于产生宽谱光，并将产生的宽谱光传输至所述连接单元；

6、所述连接单元用于对接收到的宽谱光进行分束及滤波处理，生成多路窄谱光，并将生成的窄谱光传输至所述光电探测器；

7、所述光电探测器用于将接收到的窄谱光转换为模拟电流信号，并将生成的模拟电流信号传输至所述跨阻放大器；

8、所述跨阻放大器用于将接收到的模拟电流信号甄别整形放大为模拟电压信号，并将生成的模拟电压信号传输至所述模数转换器；

9、所述模数转换器用于将接收到的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将生成的数字电压信号传输至所述fpga芯片；

10、所述fpga芯片用于对接收到的数字电压信号进行处理，生成量子随机数。

11、进一步的，所述光制备单元用于产生宽谱光，并将产生的宽谱光传输至所述连接单元；

12、所述连接单元用于对接收到的宽谱光进行分束及滤波处理，生成多路窄谱光，并将生成的窄谱光传输至所述光电探测器；

13、所述光电探测器用于将接收到的窄谱光转换为模拟电流信号，并将生成的模拟电流信号传输至所述跨阻放大器；

14、所述跨阻放大器用于将接收到的模拟电流信号甄别整形放大为模拟电压信号，并将生成的模拟电压信号传输至所述差分放大器；

15、所述差分放大器用于对输入的两路模拟电压信号做差，而后输出至所述模数转换器；

16、所述模数转换器用于将接收到的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将生成的数字电压信号传输至所述fpga芯片；

17、所述fpga芯片用于对接收到的数字电压信号进行处理，生成量子随机数。

18、进一步的，所述光制备单元为sled光源。

19、一种基于放大自发辐射的量子随机数产生方法，所述方法包括以下步骤：

20、步骤1、光制备单元产生宽谱光，并将产生的宽谱光传输至连接单元；

21、步骤2、连接单元对接收到的宽谱光进行处理，生成窄谱光，并将生成的窄谱光传输至信号采集单元；

22、步骤3、信号采集单元将接收到的光信号转换为电压信号，并将生成的电压信号传输至数据处理单元；

23、步骤4、数据处理单元对接收到的电压信号进行处理，生成量子随机数。

24、进一步的，所述步骤2-4进一步包括：

25、所述宽谱光经由所述连接单元进行分束及滤波处理，生成多路窄谱光，经由所述连接单元生成的窄谱光传输至光电探测器；

26、所述窄谱光经由所述光电探测器转换为模拟电流信号，经由所述光电探测器生成的模拟电流信号传输至跨阻放大器；

27、所述模拟电流信号经由所述跨阻放大器甄别整形放大为模拟电压信号，经由所述跨组放大器生成的模拟电压信号传输至模数转换器；

28、所述模拟电压信号经由所述模数转换器转换为数字电压信号，经由所述模数转换器生成的数字电压信号传输至fpga芯片；

29、所述数字电压信号经由所述fpga芯片进行处理，生成量子随机数。

30、进一步的，所述步骤2-4进一步包括：

31、所述宽谱光经由所述连接单元进行分束及滤波处理，生成多路窄谱光，经由所述连接单元生成的窄谱光传输至光电探测器；

32、所述窄谱光经由所述光电探测器转换为模拟电流信号，经由所述光电探测器生成的模拟电流信号传输至跨阻放大器；

33、所述模拟电流信号经由所述跨阻放大器甄别整形放大为模拟电压信号，经由所述跨组放大器生成的模拟电压信号传输至差分放大器；

34、所述模拟电压信号经由所述差分放大器做差，而后输出至所述模数转换器；

35、所述模拟电压信号经由所述模数转换器转换为数字电压信号，经由所述模数转换器生成的数字电压信号传输至fpga芯片；

36、所述数字电压信号经由所述fpga芯片进行处理，生成量子随机数。

37、本发明的有益效果：

38、1、本发明基于波分复用器，降低了分束滤波过程中的光衰减，同时也对后续用于信号处理的硬件单元降低了要求；

39、2、本发明sled光源与光电探测器之间仅通过一个波分复用器进行连接，减少了光纤需求，降低了系统复杂度和制造成本，使得系统可靠性提高；

40、3、本发明多路产生随机数，其中一路损坏，其他路还可正常运作；

41、4、本发明通过改变信号采集单元、数据处理单元中的部件数量，可改变随机数的产生速率，通过波分复用器增加新的一路时，其他路可正常运作，这样会使得系统实用价值、拓展性均得到提高。