本发明涉及量子随机数，具体而言，涉及一种基于激光相位噪声的高速量子随机数产生方法及装置。
背景技术：
1、随机数在统计抽样、计算科学等领域扮演重要角色，尤其是信息安全、密码学等关系国家安全的重要领域起到了举足轻重的作用。研究产生高速真随机数的可靠方法是密码学和信息安全领域的迫切需求。
2、通常真随机数的产生方式依赖于物理随机数发生器。真随机数是对不确定性物理过程进行观测采样得到的随机序列，如大气噪声，电子噪声，时钟频率抖动等。然而，上述物理过程可由经典物理方程描述，无法建立严格的先验模型证明其随机性，且大多产生速率较慢(典型值0.1～10mbps量级)。相对的，量子随机数发生器(quantum random numbergenerator，qrng)基于量子物理系统内在的随机性，理论上产生信息论安全的不可预测、无穷长随机序列，是目前最接近理想真随机的随机数产生技术。此外，其随机数产生速率可达100gbps量级，远高于传统方案。
3、典型的量子随机数发生器实现方式主要基于单光子随机透射反射、真空涨落噪声、放大自发辐射噪声和激光相位噪声等机制。其中，基于激光相位噪声的量子随机数发生器可采用成熟的大带宽探测器，是实用化量子随机数发生器的优选方案，包括采用单激光器自延时干涉的方案和采用双激光器直接干涉的方案。然而，基于单激光器的方案需要搭建干涉光路并进行实时相位反馈控制或偏振补偿以确保稳定干涉，不利于小型化、集成化；基于双激光器的方案尽管结构简单，但量子熵源带宽低、产生速率受限，不利于实际应用。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种基于激光相位噪声的高速量子随机数产生方法及装置，以降低系统复杂度，并提升量子熵源带宽和随机数产生速率。
2、一个方案中，本发明提供的一种基于激光相位噪声的高速量子随机数产生装置，包括熵源模块、探测模块、模拟滤波模块、数据采样及后处理模块和控制模块；
3、所述熵源模块、探测模块、模拟滤波模块、数据采样及后处理模块依次连接；所述探测模块经控制模块连接熵源模块。
4、进一步的，所述基于激光相位噪声的高速量子随机数产生装置中，各个模块的构成如下：
5、所述熵源模块包括驱动电路、激光器laser1、激光器laser2、可调衰减器voa1、可调衰减器voa2和耦合器bs；
6、所述探测模块包括光电探测器pd1和光电探测器pd2；
7、所述模拟滤波模块包括低通模拟滤波器、高通模拟滤波器或带通模拟滤波器；
8、所述数据采样及后处理模块包括模数转换器adc和现场可编程门阵列fpga；
9、所述控制模块包括锁频电路；
10、所述激光器laser1经可调衰减器voa1连接耦合器bs的输入端一；所述激光器laser2经可调衰减器voa2连接耦合器bs的输入端二；耦合器的输出端一依次连接光电探测器pd1、模拟滤波模块、模数转换器adc和现场可编程门阵列fpga；耦合器bs的输出端二依次经光电探测器pd2和锁频电路连接驱动电路的输入端；驱动电路的两个输出端分别连接激光器laser1和激光器laser2。
11、进一步的，所述激光器laser1和激光器laser2采用分布式反馈激光器dfb或分布式布拉格反射激光器dbr。
12、进一步的，所述基于激光相位噪声的高速量子随机数产生方法，包括：
13、s1，由控制模块中锁频电路控制驱动电路，驱动电路分别驱动激光器laser1和激光器laser2产生两路连续光；
14、s2，通过可调衰减器voa1和可调衰减器voa2分别将两路连续光的光功率调节达到平衡状态，两束平衡光入射至50:50的耦合器bs进行干涉；
15、s3，耦合器bs干涉后输出的一路光信号由光电探测器pd1检测，获得具有量子相位噪声的电信号一，该电信号一表示为：
16、v(t)∝e1e2cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]＝e1e2cos[2πδft+δφ]
17、即电信号一直接正比于e1e2cos[2πδft+δφ]，其中，e1、e2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号振幅，f1、f2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号中心频率，φ1、φ2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号相位；δf＝f1-f2、δφ＝φ1-φ2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号中心频率差和相位差；电信号一v(t)中，2πδf项为频率为δf的周期信号，通过模拟滤波模块滤除2πδf项所对应的周期信号，获得高带宽、频谱平坦且含有量子随机性的电信号；最后，该电信号经过数据采样及后处理模块中的模数转换器adc进行离散化采样以及现场可编程门阵列fpga进行实时后处理，最终生成应用系统所需的高速量子随机序列；
18、s4，耦合器bs干涉后输出的另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频差信息的量子相位噪声电信号二，该电信号二反馈至控制模块；控制模块中的锁频电路对该电信号二进行统计分析，得到中心频差信息并实时将其反馈至驱动电路；驱动电路进一步对两个激光器进行实时驱动调节，使激光器laser1和激光器laser2的中心频差大于或小于目标滤波带宽范围。
19、另一个方案中，本发明还提供一种基于激光相位噪声的高速量子随机数产生装置，包括熵源模块、探测模块、数据采样模块、数字滤波及后处理模块和控制模块；
20、所述熵源模块、探测模块、数据采样模块、数字滤波及后处理模块依次连接；所述探测模块经控制模块连接熵源模块。
21、进一步的，所述基于激光相位噪声的高速量子随机数产生装置中，各个模块的构成如下：
22、所述熵源模块包括驱动电路、激光器laser1、激光器laser2、可调衰减器voa1、可调衰减器voa2和耦合器bs；
23、所述探测模块包括光电探测器pd1和光电探测器pd2；
24、所述数据采样模块包括模数转换器adc；
25、所述数字滤波及后处理模块包括现场可编程门阵列fpga；
26、所述控制模块包括锁频电路；
27、所述激光器laser1经可调衰减器voa1连接耦合器bs的输入端一；所述激光器laser2经可调衰减器voa2连接耦合器bs的输入端二；耦合器bs的输出端一依次连接光电探测器pd1、模数转换器adc和现场可编程门阵列fpga；耦合器bs的输出端二依次经光电探测器pd2和锁频电路连接驱动电路的输入端；驱动电路的两个输出端分别连接激光器laser1和激光器laser2。
28、进一步的，所述激光器laser1和激光器laser2采用分布式反馈激光器dfb或分布式布拉格反射激光器dbr。
29、进一步的，所述基于激光相位噪声的高速量子随机数产生方法，包括：
30、s1由控制模块中锁频电路控制驱动电路，驱动电路分别驱动激光器laser1和激光器laser2产生两路连续光；
31、s2，通过可调衰减器voa1和可调衰减器voa2分别将两路连续光的光功率调节达到平衡状态，两束平衡光入射至50:50的耦合器bs进行干涉；
32、s3，耦合器bs干涉后输出的一路光信号由光电探测器pd1检测，获得具有量子相位噪声的电信号一，该电信号一表示为：
33、v(t)∝e1e2cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]
34、其中，e1、e2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号振幅，f1、f2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号中心频率，φ1、φ2分别为激光器laser1、激光器laser2的输出光信号相位；
35、该电信号一经过数据采样模块中模数转换器adc进行离散化采样得到含初始随机序列的数字信号；该数字信号进入具备数字滤波及后处理功能的现场可编程门阵列fpga中，通过现场可编程门阵列fpga对数字信号进行数字滤波及实时后处理，最终生成应用系统所需的高速量子随机序列；
36、s4，耦合器bs干涉后输出的另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频差信息的量子相位噪声的电信号二，该电信号二反馈至控制模块；控制模块中的锁频电路对该电信号二进行统计分析，得到中心频差信息并实时将其反馈至驱动电路；驱动电路进一步对激光器laser1和激光器laser2进行实时驱动调节，使激光器laser1和激光器laser2的中心频差大于或小于目标滤波带宽范围。
37、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
38、本发明针对现有基于激光相位噪声的量子随机数发生器需对干涉光路进行实时反馈补偿，结构复杂不利于集成化，或量子熵源带宽较低、产生速率受限等问题，提出了一种基于激光相位噪声的高速量子随机数产生方法及装置，通过两个独立激光器进行相干探测，实现相位噪声变化的直接测量，并通过控制激光器中心频率并结合相应滤波方式显著提升量子熵源带宽。一方面避免了复杂的干涉光路，且无需进行实时相位反馈控制或偏振补偿，有效简化系统光路和电路设计、降低系统复杂度，有利于小型化、集成化；另一方面，通过采用模拟或数字滤波方法，可解决熵源带宽受限问题，且可实现高效选择所需量子熵源信号频段，提升了系统的性能及鲁棒性。