本申请涉及量子通信，尤其涉及基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成方法及装置。
背景技术：
1、随机数在现代密码学、模拟实验和信息处理等领域具有重要的应用。传统计算机系统采用伪随机数生成器产生随机数，但其结果实际上是由确定性算法生成的，无法提供真正的随机性。这种伪随机性在某些场景下可能存在安全隐患。为了解决这一问题，量子随机数产生方案应运而生。量子力学的不确定性原理为实现真正随机性提供了基础。量子随机数生成利用量子物理系统的随机性质，如单光子的不可预测性、量子测量的随机性、量子隧穿效应的随机性等，以产生真正随机的数列。
2、目前大多数的量子随机数方案都是基于光学平台，例如利用光子的到达时间、相位等信息来产生随机数。这些方案的共同特点是需要对光子进行探测，将光学信号转化为电信号进行处理，通常需要复杂的光学器件和实验设置，涉及到光学器件的校准和调整，实施起来相对复杂且成本相对较高。
3、因此，需要提出更为简单且便捷的产生量子随机数的方法。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本申请提出基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成方法、装置及电子设备，能利用常见的半导体及电路器件，简单且便捷的产生量子随机数。
2、第一方面，本申请提供一种基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成方法，该方法包括：获取发生电子隧穿效应的二极管中通过的电流时域信号；电流时域信号的噪声分量包括非量子噪声和量子噪声，量子噪声由二极管的电子隧穿效应产生；对电流时域信号的频谱进行分析，得到噪声分量对应的频谱图；基于频谱图中目标频谱区域的频谱幅值，计算得到量子噪声在时域的高斯分布方差；目标频谱区域的频谱特征仅与非量子噪声相关；根据多次采样的电流值与电流时域信号的概率密度图的关联，得到第一随机数序列，并基于量子噪声在时域的高斯分布方差从第一随机数序列中提取出量子随机数。
3、由此，本申请通过获取发生电子隧穿效应的二极管中通过的电流时域信号，并对电流时域信号的频谱进行分析，可以得到量子噪声在时域的高斯分布方差。根据电流时域信号的概率密度图，得到第一随机数序列，并基于量子噪声在时域的高斯分布方差从第一随机数序列中提取出量子随机数。该方案不涉及光学器件和光学系统，可以提高产生量子随机数的便捷性。
4、在一种可能的实现方式中，二极管由直流稳压电源进行反向施压，直流稳压电源和二极管以串联方式连接，二极管两端施加的电压根据预设范围设定，预设范围和二极管的反向击穿电压相关。
5、在一种可能的实现方式中，基于频谱图中目标频谱区域的频谱幅值，计算得到量子噪声在时域的高斯分布方差，包括：预估量子噪声和非量子噪声在噪声分量中的信号强度比值；基于目标频谱区域的频谱幅值，得到目标频谱区域中非量子噪声的功率谱密度；
6、根据信号强度比值和目标频谱区域中非量子噪声的功率谱密度，计算得到量子噪声在时域的高斯分布方差为：其中，γ为信号强度比值，s(0)为目标频谱区域中非量子噪声的功率谱密度，ωmin、ωmax是包含在指定频谱区域内的预设频率值。
7、在一种可能的实现方式中，根据多次采样的电流值与电流时域信号的概率密度图的关联，得到第一随机数序列，包括：将概率密度图的电流分布区域纵向划分为若干子区域；若干子区域中的每一子区域对应不同范围的电流值区间；为若干子区域中的每一子区域分别设置位数相同的随机数；其中，不同子区域中的随机数各不相同；基于多次电流采样实验得到的多个电流值所落入的子区域分别对应的随机数，得到第一随机数序列。
8、在一种可能的实现方式中，基于多次电流采样实验得到的多个电流值所落入的子区域分别对应的随机数，得到第一随机数序列，包括：对每次电流采样实验，获取从二极管中通过的第一电流值；确定第一电流值在概率密度图中所属的电流值区间对应的第一子区域；将第一子区域对应的随机数作为本次电流采样实验得到的随机数；基于多次电流采样实验得到的全部随机数，确定第一随机数序列。
9、在一种可能的实现方式中，基于量子噪声在时域的高斯分布方差从第一随机数序列中提取出量子随机数，包括：通过计算得到第一随机数序列的第一最小熵；基于量子噪声在时域的高斯分布方差，确定量子噪声的概率密度图；基于量子噪声的概率密度图，计算得到量子随机数的第二最小熵；基于第一最小熵和第二最小熵，从第一随机数序列中提取出量子随机数。
10、在一种可能的实现方式中，基于第一最小熵和第二最小熵，从第一随机数序列中提取出量子随机数，包括：利用第一最小熵确定toeplitz矩阵的行数量，以及利用第二最小熵确定toeplitz矩阵的列数量；基于行数量和列数量构建toeplitz矩阵；基于toeplitz矩阵从第一随机数序列中提取出量子随机数。
11、第二方面，本申请提供一种产生量子噪声的电路，该电路包括二极管和直流稳压电源，直流稳压电源对二极管进行反向施压，直流稳压电源和二极管以串联方式连接，二极管两端施加的电压根据预设范围设定，预设范围和二极管的反向击穿电压相关；二极管在反向电压的作用下发生电子隧穿效应；二极管中通过的电流时域信号包含噪声分量，噪声分量包括非量子噪声和量子噪声，量子噪声由电子隧穿效应产生；其中，电流时域信号用于得到噪声分量对应的频谱图；频谱图中目标频谱区域的频谱幅值，用于得到量子噪声在时域的高斯分布方差；目标频谱区域的频谱特征仅与非量子噪声相关；电流时域信号的概率密度图用于得到第一随机数序列，量子噪声在时域的高斯分布方差用于从第一随机数序列中提取出量子随机数。
12、第三方面，本申请提供一种基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成装置，该装置包括：获取单元，用于获取发生电子隧穿效应的二极管中通过的电流时域信号；电流时域信号的噪声分量包括非量子噪声和量子噪声，量子噪声由二极管的电子隧穿效应产生；处理单元，用于对电流时域信号的频谱进行分析，得到噪声分量对应的频谱图；处理单元，还用于基于频谱图中目标频谱区域的频谱幅值，计算得到量子噪声在时域的高斯分布方差；目标频谱区域的频谱特征仅与非量子噪声相关；处理单元，还用于根据多次采样的电流值与电流时域信号的概率密度图的关联，得到第一随机数序列，并基于量子噪声在时域的高斯分布方差从第一随机数序列中提取出量子随机数。
13、第四方面，本申请提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序；其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。
14、可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
1.一种基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二极管由直流稳压电源进行反向施压，所述直流稳压电源和所述二极管以串联方式连接，所述二极管两端施加的电压根据预设范围设定，所述预设范围和所述二极管的反向击穿电压相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述频谱图中目标频谱区域的频谱幅值，计算得到所述量子噪声在时域的高斯分布方差，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多次采样的电流值与所述电流时域信号的概率密度图的关联，得到第一随机数序列，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于多次电流采样实验得到的多个电流值所落入的子区域分别对应的随机数，得到所述第一随机数序列，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述量子噪声在时域的高斯分布方差从所述第一随机数序列中提取出所述量子随机数，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一最小熵和所述第二最小熵，从所述第一随机数序列中提取出所述量子随机数，包括：
8.一种产生量子噪声的电路，其特征在于，所述电路包括二极管和直流稳压电源，所述直流稳压电源对所述二极管进行反向施压，所述直流稳压电源和所述二极管以串联方式连接，所述二极管两端施加的电压根据预设范围设定，所述预设范围和所述二极管的反向击穿电压相关；所述二极管在反向电压的作用下发生电子隧穿效应；
9.一种基于二极管电子隧穿效应的量子随机数生成装置，其特征在于，所述装置包括：
10.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行所述存储器存储的程序；其中，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一所述的方法。