基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统

本发明涉及量子安全通信，特别是涉及一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统。

背景技术：

1、目前，基于相位噪声的量子随机数发生器主要有两种结构：一种是在干涉仪其中一臂引入较小的延时，相位波动分布在一个较小的范围内，此时干涉仪输出满足高斯分布的统计规律，产生的原始随机数也满足高斯分布；另一种是在干涉仪中引入较大的延迟，这会使得相位波动均匀分布在的范围内，此时干涉仪输出满足反正弦分布的统计规律，产生对的原始随机数也满足反正弦分布。而无论是高斯分布还是反正弦分布，为了产生最终均匀分布的随机比特，都要经过随机性提取，而在这个过程中，都将会损失接近一半的随机比特。

2、针对随机比特严重损失这一问题，基于相干探测的相位噪声量子随机数发生器已经被提出。通过相干探测提取两个独立激光器的相位差，无需后处理即可得到均匀分布的随机数，并且能够通过绝大部分的随机性测试。但这种方案存在缺陷：①独立激光器的干涉需要两个激光器具有相同的频率和频谱特性，这就需要额外的温度控制模块来保证激光波长的稳定。在实际应用中，即使通过精确的调整，两束激光的中心频率也难以完美对齐，因此干涉输出还包含一个拍频信号，需要在数据处理阶段去除。②为了获得均匀分布的相位，采样率被限制在很低的水平，这直接限制了量子随机数的产生速率，最终只得到1.2mbps的速率，这样的速率可能无法满足实际应用的需求。③探测的噪声信号中不仅包含量子噪声还包括部分经典噪声，该方案仅考虑量子噪声，缺少对于经典噪声的考虑，在安全性上有待提高。因此，亟需一种方案来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，解决相位噪声量子随机数发生器在随机性提取中随机比特严重损失的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，包括光源模块、干涉模块、探测模块和数据处理模块；其中，

3、所述光源模块，用于输出原始光信号；

4、所述干涉模块，用于将所述原始光信号分束为第一光信号和第二光信号，对所述第一光信号进行延时并分束得到第一延时光信号和第二延时光信号，对所述第二光信号进行分束得到第三光信号和第四光信号，并对所述第四光信号进行移相得到移相光信号，分别将所述第一延时光信号与所述第三光信号、以及所述第二延时光信号与所述移相光信号进行耦合干涉，得到第一干涉光信号和第二干涉光信号；

5、所述探测模块，用于对所述第一干涉光信号和第二干涉光信号进行光电转换，得到相位相互正交的第一电信号和第二电信号；

6、所述数据处理模块，用于将所述第一电信号和第二电信号进行采样量化和组合，还原为一路电信号，并对还原后的一路电信号进行随机性提取，生成量子随机数。

7、进一步地，光源模块包括激光器和温度控制器；所述激光器用于输出原始光信号；所述温度控制器用于控制所述激光器的温度，并使所述激光器的中心波长和所述原始光信号的输出功率处于稳定状态。

8、进一步地，温度控制器，还用于为所述激光器提供驱动电流。

9、进一步地，激光器为dfb激光器。

10、进一步地，干涉模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、延迟线、移相器、第一耦合器和第二耦合器；其中，

11、所述第一分束器，用于对所述原始光信号进行分束，得到第一光信号和第二光信号；

12、所述延迟线，用于对所述第一光信号进行延时，得到延时光信号；

13、所述第二分束器，用于对所述延时光信号进行分束，得到第一延时光信号和第二延时光信号；

14、所述第三分束器，用于对所述第二光信号进行分束，得到第三光信号和第四光信号；

15、所述移相器，用于对所述第四光信号进行移相，得到移相光信号；

16、所述第一耦合器，用于对所述第一延时光信号与第三光信号进行耦合干涉，得到第一干涉光信号；

17、所述第二耦合器，用于对所述第二延时光信号与移相光信号进行耦合干涉，得到第二干涉光信号。

18、进一步地，第一分束器、第二分束器和第三分束器的分束比均为50:50。

19、进一步地，探测模块包括第一探测模块和第二探测模块；其中，

20、所述第一探测模块，用于对所述第一干涉光信号进行光电转换，得到第一电信号；

21、所述第二探测模块，用于对所述第二干涉光信号进行光电转换，得到第二电信号。

22、进一步地，第一探测模块和第二探测模块均为平衡零差探测器。

23、进一步地，数据处理模块包括采样量化模块、相位重构模块和随机提取模块；其中，

24、所述采样量化模块，用于对所述第一电信号和第二电信号进行采样量化处理，得到分别具有同相分量和正交分量的两路电信号；

25、所述相位重构模块，用于将具有所述同相分量的一路电信号作为实部，将具有所述正交分量的一路电信号作为虚部进行组合，得到还原后的通过复向量表示的一路电信号；

26、所述随机提取模块，用于通过常对角矩阵对所述还原后的通过复向量表示的一路电信号进行随机性提取，得到量子随机数。

27、进一步地，所述系统通过光纤耦合方式连接。

28、与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

29、本发明提供一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，通过采用相干探测重建激光相位波动来生成量子随机数，使得：（1）重构后的相位波动服从均匀分布，经采样量化后得到的原始的随机数满足均匀分布，在随机性评估阶段最小熵达到最大，可以很好地解决随机比特在随机性提取过程中丢失的问题；（2）相干探测得到的正交分量可以用来还原激光器的强度波动，该波动属于经典噪声的范畴，通过数据处理可以将这种经典噪声去除；（3）该方案采用单个连续激光器，避免了拍频的出现，从而降低了实验操作和数据处理的复杂性；（4）采用大线宽的dfb激光器和不等臂干涉仪实现相位的完全随机，使得噪声信号能够被高速采样，随机数产生速率迅速提高；（5）平衡零差探测器和单激光器的设计提高了整个系统的稳定性、有利于系统的小型化和集成化。

技术特征：

1.一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，包括光源模块、干涉模块、探测模块和数据处理模块；其中，

2.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述光源模块包括激光器和温度控制器；所述激光器用于输出原始光信号；所述温度控制器用于控制所述激光器的温度，并使所述激光器的中心波长和所述原始光信号的输出功率处于稳定状态。

3.根据权利要求2所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述温度控制器，还用于为所述激光器提供驱动电流。

4.根据权利要求2所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述激光器为dfb激光器。

5.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述干涉模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、延迟线、移相器、第一耦合器和第二耦合器；其中，

6.根据权利要求5所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述第一分束器、第二分束器和第三分束器的分束比均为50:50。

7.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述探测模块包括第一探测模块和第二探测模块；其中，

8.根据权利要求7所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述第一探测模块和第二探测模块均为平衡零差探测器。

9.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述数据处理模块包括采样量化模块、相位重构模块和随机提取模块；其中，

10.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，其特征在于，所述系统通过光纤耦合方式连接。

技术总结
本发明涉及量子安全通信技术领域，公开了一种基于相干探测的单连续激光相位重建量子随机数产生系统，本发明针对相位噪声量子随机数发生器在随机性提取中随机比特严重损失的问题，通过不平衡的干涉仪获取单激光自发辐射导致的随机相位差，采用相干探测获得相位噪声的一对正交分量，根据该组正交分量重建激光相位波动，利用激光真实相位波动来产生量子随机数，得到均匀分布的随机数。本发明利用重构的相位波动实现熵的最大化，提高了原始随机比特序列中可提取随机性的数量，极大提升了相位噪声量子随机数的产生速率；同时，相干探测的结果能够用来还原激光强度波动这类经典噪声，通过数据处理能够提升整个系统的安全性。

技术研发人员：孙仕海,李佳良,黄子涛
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16