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发生器芯片。
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0.1mbp～10mbp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复杂的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量子熵源带宽较低、产生速率受限，应用场景受限。此外，随着光子集成技术的快速发展，国内外已有部分成果实现了激光相位噪声量子随机数发生器的核心光学部件集成化而电子学部分仍需单独设计，或是对光学和电子学部分同时进行了集成但随机数产生速率较低。
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发生器芯片，以提升量子熵源带宽，降低系统复杂度并兼具高速率。
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发生器芯片，包括相连接的光学芯片和电学芯片；
3、所述光学芯片包括激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、微透镜组lens1、微透镜组lens2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2；热移相器1连接有驱动控制器1，热移相器2连接有驱动控制器2；所述电学芯片包括放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路；
4、激光器芯片laser1依次经微透镜组lens1、多模干涉仪mmi1、热移相器1、多模干涉仪mmi3连接多模干涉仪mmi5的输入端一；激光器芯片laser2依次经微透镜组lens2、多模干涉仪mmi2、热移相器2、多模干涉仪mmi4连接多模干涉仪mmi5的输入端二；多模干涉仪mmi5的输出端一依次连接光电探测器pd1、放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路；多模干涉仪mmi5的输出端二连接光电探测器pd2，再经锁频电路连接激光器驱动电路的输入端；激光器驱动电路的两个输出端分别连接激光器芯片laser1和激光器芯片laser2。
5、进一步的，所述激光器芯片laser1和激光器芯片laser2为基于磷化铟平台的激光器芯片；所述多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2为基于硅基光子集成平台实现。
6、进一步的，所述激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、微透镜组lens1、微透镜组lens2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2通过异质集成方法构成所述光学芯片；所述放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路采用通用芯片或专用asic电路直接集成构成所述电学芯片；所述光学芯片和电学芯片采用包括引线键合和系统级封装的光电集成技术实现混合封装，最终构成该基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片。
7、所述基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片的工作方法，包括：
8、s1，通过锁频电路控制激光器驱动电路，激光器驱动电路分别驱动激光器芯片laser1和激光器芯片laser2产生两路连续的激光信号；其中，通过激光器驱动电路定量调节两个激光器芯片的中心频差；
9、s2，两路连续的激光信号通过微透镜组lens1、微透镜组lens2及辅助对准结构耦合到两个马赫曾德尔型干涉仪结构对应的输入端；通过两个马赫曾德尔型干涉仪进行光功率平衡调节和相位控制，输出两路平衡光信号；其中，一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi1、热移相器1和多模干涉仪mmi3，另一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi2、热移相器2和多模干涉仪mmi4；两路平衡光信号输入典型分束比为50:50的多模干涉仪mmi5进行干涉，输出两路光信号；
10、s3，多模干涉仪mmi5输出的两路光信号中：
11、一路光信号由光电探测器pd1检测，获得包含量子相位噪声的电信号一，该电信号一通过引线键合的方式导入电学芯片，并通过放大器amp放大；随后根据两路连续的激光信号中心频率差，选择相应的模拟滤波器来滤除电信号中周期性分量，获得高带宽且频谱平坦的随机电信号；最后，该随机电信号经过数据采样及后处理电路进行数据离散化采样和实时随机性提取，生成所需的高速量子随机数序列；
12、另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频率差信息的电信号二，该电信号二通过引线键合的方式反馈至锁频电路；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激光器驱动电路；激光器驱动电路进一步对激光器芯片laser1和激光器芯片laser2进行实时驱动调节，使激光器芯片laser1和激光器芯片laser2的中心频率差大于或小于目标滤波带宽范围；其中，中心频率差大于目标滤波带宽范围最大值时滤波器可采用低通或者带通模拟滤波器，中心频率差小于目标滤波带宽范围最小值时滤波器可采用高通或者带通模拟滤波器。
13、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发生器芯片，包括相连接的光学芯片和电学芯片；
14、所述光学芯片包括激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、微透镜组lens1、微透镜组lens2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2；热移相器1连接有驱动控制器1，热移相器2连接有驱动控制器2；所述电学芯片包括放大器amp和数据采样及后处理电路；
15、激光器芯片laser1依次经微透镜组lens1、多模干涉仪mmi1、热移相器1、多模干涉仪mmi3连接多模干涉仪mmi5的输入端一；激光器芯片laser2依次经微透镜组lens2、多模干涉仪mmi2、热移相器2、多模干涉仪mmi4连接多模干涉仪mmi5的输入端二；多模干涉仪mmi5的输出端一依次连接光电探测器pd1、放大器amp和数据采样及后处理电路；多模干涉仪mmi5的输出端二依次经光电探测器pd2和锁频电路连接激光器驱动电路的输入端；激光器驱动电路的两个输出端分别连接激光器芯片laser1和激光器芯片laser2。
16、进一步的，所述激光器芯片laser1和激光器芯片laser2为基于磷化铟平台的激光器芯片；所述多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2为基于硅基光子集成平台实现。
17、进一步的，所述激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、微透镜组lens1、微透镜组lens2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、热移相器1和热移相器2通过异质异构集成方法构成所述光学芯片；所述放大器amp和数据采样及后处理电路采用通用芯片或专用asic电路直接集成构成所述电学芯片；所述光学芯片和电学芯片采用包括引线键合和系统级封装的光电集成技术实现混合封装，最终构成该基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片。
18、所述基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片的工作方法，包括：
19、s1，通过锁频电路控制激光器驱动电路，激光器驱动电路分别驱动激光器芯片laser1和激光器芯片laser2产生两路连续的激光信号；其中，通过激光器驱动电路定量调节两个激光器芯片的中心频差；
20、s2，两路连续的激光信号通过微透镜组lens1、微透镜组lens2及辅助对准结构耦合到两个马赫曾德尔型干涉仪结构对应的输入端；通过两个马赫曾德尔型干涉仪进行光功率平衡调节和相位控制，输出两路平衡光信号；其中，一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi1、热移相器1和多模干涉仪mmi3，另一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi2、热移相器2和多模干涉仪mmi4；两路平衡光信号输入典型分束比为50:50的多模干涉仪mmi5进行干涉，输出两路光信号；
21、s3，多模干涉仪mmi5输出的两路光信号中：
22、一路光信号由光电探测器pd1检测，获得包含量子相位噪声的电信号一，该电信号一通过引线键合的方式导入电学芯片，并通过放大器amp放大；随后该电信号一经过数据采样及后处理电路首先离散化得到初始随机序列数字信号，然后该初始随机序列数字信号经过实时数字滤波和随机性提取即可生成所需的高速量子随机数序列；
23、另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频率差信息的电信号二，该电信号二通过引线键合的方式反馈至锁频电路；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激光器驱动电路；激光器驱动电路进一步对激光器芯片laser1和激光器芯片laser2进行实时驱动调节，使激光器芯片laser1和激光器芯片laser2的中心频率差大于或小于目标滤波带宽范围；其中，中心频率差大于目标滤波带宽范围最大值时滤波器可采用低通或者带通数字滤波器，中心频率差小于目标滤波带宽范围最小值时滤波器可采用高通或者带通数字滤波器。
24、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发生器芯片，包括相连接的光学芯片和电学芯片；
25、所述光学芯片包括激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、相位调制器1和相位调制器2；相位调制器1连接有驱动控制器1，相位调制器2连接有驱动控制器2；所述电学芯片包括放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路；
26、激光器芯片laser1依次经多模干涉仪mmi1、相位调制器1、多模干涉仪mmi3连接多模干涉仪mmi5的输入端一；激光器芯片laser2依次经多模干涉仪mmi2、相位调制器2、多模干涉仪mmi4连接多模干涉仪mmi5的输入端二；多模干涉仪mmi5的输出端一依次连接光电探测器pd1、放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路；多模干涉仪mmi5的输出端二依次经光电探测器pd2和锁频电路连接激光器驱动电路的输入端；激光器驱动电路的两个输出端分别连接激光器芯片laser1和激光器芯片laser2。
27、进一步的，所述激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、相位调制器1和相位调制器2通过基于磷化铟平台的光子集成方法构成所述光学芯片；所述放大器amp、模拟滤波器和数据采样及后处理电路采用通用芯片或专用asic电路直接集成构成所述电学芯片；所述光学芯片和电学芯片采用包括引线键合和系统级封装的光电集成技术实现混合封装，最终构成该基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片。
28、所述基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片的工作方法，包括：
29、s1，通过锁频电路控制激光器驱动电路，激光器驱动电路分别驱动激光器芯片laser1和激光器芯片laser2产生两路连续的激光信号；其中，通过激光器驱动电路定量调节两个激光器芯片的中心频差；
30、s2，两路连续的激光信号通过两个马赫曾德尔型干涉仪结构对应的输入端；通过两个马赫曾德尔型干涉仪进行光功率平衡调节和相位控制，输出两路平衡光信号；其中，一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi1、相位调制器1和多模干涉仪mmi3，另一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi2、相位调制器2和多模干涉仪mmi4；两路平衡光信号输入典型分束比为50:50的多模干涉仪mmi5进行干涉，输出两路光信号；
31、s3，多模干涉仪mmi5输出的两路光信号中：
32、一路光信号由光电探测器pd1检测，获得包含量子相位噪声的电信号一，该电信号一通过引线键合的方式导入电学芯片，并通过放大器amp放大；随后根据两路连续的激光信号中心频率差，选择相应的模拟滤波器来滤除电信号中周期性分量，获得高带宽且频谱平坦的随机电信号；最后，该随机电信号经过数据采样及后处理电路进行数据离散化采样和实时随机性提取，生成所需的高速量子随机数序列；
33、另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频率差信息的电信号二，该电信号二通过引线键合的方式反馈至锁频电路；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激光器驱动电路；激光器驱动电路进一步对激光器芯片laser1和激光器芯片laser2进行实时驱动调节，使激光器芯片laser1和激光器芯片laser2的中心频率差大于或小于目标滤波带宽范围；其中，中心频率差大于目标滤波带宽范围最大值时滤波器可采用低通或者带通模拟滤波器，中心频率差小于目标滤波带宽范围最小值时滤波器可采用高通或者带通模拟滤波器。
34、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发生器芯片，包括相连接的光学芯片和电学芯片；
35、所述光学芯片包括激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、相位调制器1和相位调制器2；相位调制器1连接有驱动控制器1，相位调制器2连接有驱动控制器2；所述电学芯片包括放大器amp和数据采样及后处理电路；
36、激光器芯片laser1依次经多模干涉仪mmi1、相位调制器1、多模干涉仪mmi3连接多模干涉仪mmi5的输入端一；激光器芯片laser2依次经多模干涉仪mmi2、相位调制器2、多模干涉仪mmi4连接多模干涉仪mmi5的输入端二；多模干涉仪mmi5的输出端一依次连接光电探测器pd1、放大器amp和数据采样及后处理电路；多模干涉仪mmi5的输出端二依次经光电探测器pd2和锁频电路连接激光器驱动电路的输入端；激光器驱动电路的两个输出端分别连接激光器芯片laser1和激光器芯片laser2。
37、进一步的，所述激光器芯片laser1、激光器芯片laser2、多模干涉仪mmi1、多模干涉仪mmi2、多模干涉仪mmi3、多模干涉仪mmi4、多模干涉仪mmi5、光电探测器pd1、光电探测器pd2、相位调制器1和相位调制器2通过基于磷化铟平台的光子集成方法构成所述光学芯片；所述放大器amp和数据采样及后处理电路采用通用芯片或专用asic电路直接集成构成所述电学芯片；所述光学芯片和电学芯片采用包括引线键合和系统级封装的光电集成技术实现混合封装，最终构成该基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片。
38、所述基于激光相位噪声的高速量子随机数发生器芯片的工作方法，包括：
39、s1，通过锁频电路控制激光器驱动电路，激光器驱动电路分别驱动激光器芯片laser1和激光器芯片laser2产生两路连续的激光信号；其中，通过激光器驱动电路定量调节两个激光器芯片的中心频差；
40、s2，两路连续的激光信号通过两个马赫曾德尔型干涉仪结构对应的输入端；通过两个马赫曾德尔型干涉仪进行光功率平衡调节和相位控制，输出两路平衡光信号；其中，一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi1、相位调制器1和多模干涉仪mmi3，另一个马赫曾德尔型干涉仪依次为多模干涉仪mmi2、相位调制器2和多模干涉仪mmi4；两路平衡光信号输入典型分束比为50:50的多模干涉仪mmi5进行干涉，输出两路光信号；
41、s3，多模干涉仪mmi5输出的两路光信号中：
42、一路光信号由光电探测器pd1检测，获得包含量子相位噪声的电信号一，该电信号一通过引线键合的方式导入电学芯片，并通过放大器amp放大；随后该电信号一经过数据采样及后处理电路首先离散化得到初始随机序列数字信号，然后该初始随机序列数字信号经过实时数字滤波和随机性提取即可生成所需的高速量子随机数序列；
43、另一路光信号由光电探测器pd2检测，获得具有中心频率差信息的电信号二，该电信号二通过引线键合的方式反馈至锁频电路；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激光器驱动电路；激光器驱动电路进一步对激光器芯片laser1和激光器芯片laser2进行实时驱动调节，使激光器芯片laser1和激光器芯片laser2的中心频率差大于或小于目标滤波带宽范围；其中，中心频率差大于目标滤波带宽范围最大值时滤波器可采用低通或者带通数字滤波器，中心频率差小于目标滤波带宽范围最小值时滤波器可采用高通或者带通数字滤波器。
44、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
45、本发明针对现有基于激光相位噪声的量子随机数发生器系统需要对干涉光路进行实时反馈补偿、结构复杂故不利于芯片化，或量子熵源带宽较低故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发生器芯片，通过两个独立激光器芯片进行相干探测，实现相位噪声变化的直接测量，有效降低系统复杂度，利于系统芯片集成。此外，通过控制激光器芯片中心频差结合相应模拟或数字滤波方式，显著提升量子熵源带宽，从而有效提升随机数产生速率。此外，通过采用模拟或数字滤波方法可高效选择所需的量子熵源信号频段，可有效提升系统的鲁棒性。