本公开的至少一种实施例涉及量子安全通信，更具体地涉及一种量子随机数发生器。
背景技术：
1、高速真随机数在加密算法中不可或缺，是信息安全领域的一项关键基础资源。在多种连续变量型量子随机数发生器（qrng）方案中，基于测量真空涨落噪声的qrng具有物理模型清晰、真空态易制备、探测效率高等特点以及在高速实时化、集成化等方面展现出的明显优势。目前已公开报道的基于测量真空涨落噪声的qrng的随机数产生速率已经从该方案最早被提出时的1mbps提升至100gbps，进一步证明了基于测量真空涨落噪声的qrng在超高速真随机生成方面的潜力。
2、众所周知，qrng能够产生信息论安全可证安全的随机数是基于量子物理过程的内秉随机性。然而，在实际实现时，物理元器件存在非理想性，无法完全保证其工作状态完美符合理论模型要求，窃听者（eve）可能利用这种非理想性对系统实施窃听甚至控制，导致系统的实际安全性受到威胁。例如，在基于真空涨落噪声的qrng系统中，采用平衡零差探测器提取真空涨落噪声时需要一束强本振光作为因子放大微弱的真空信号。在理论安全性分析模型中，本振光的强度恒定不变且频率单一。而在实际系统中，本振光由激光器产生，它的强度与激光器的驱动电流相关且不可避免地存在涨落，同时激光器输出的光信号不是完美单频光源存在一定线宽。在这种情况下，本振光的实际工作状态与理论模型要求不一致。如果采用该激光器构建的qrng系统未对其本振光的强度、频率等特性参数进行量化评估并刻画实际系统的可提取随机性大小，那么它产生的随机数是存在安全隐患的，即窃听者可能伪装成供应商预制或操控该激光器以实现对该qrng系统输出随机数的窃听或控制，使系统的安全性受到严重威胁。
3、在量化评估本振光强度变化（或波动）对量子通信系统安全性影响的相关技术中，多采用附加的光分束器和探测器对本振光进行小比例分束后实施监控的方式来抵御可能的潜在攻击，而没有考虑到本振光强度和波长的变化以及由波长变化引起的分束器分束比的变化导致的安全性问题，造成基于真空涨落噪声qrng系统的实际安全性存在隐患。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种量子随机数发生器，能够实时获得本振光波长的变化以及由波长变化引起的平衡探测器内部分束器分束比的变化，能够实时评估量子随机数发生器系统的可提取随机性，提高了量子随机数发生器系统的实际安全性。
2、根据本公开的一个方面，提供了一种量子随机数发生器，包括：
3、光源组件，适用于提供初始光信号；
4、探测组件，包括：
5、分束器，上述分束器包括第一输入端和第二输入端，上述第一输入端封闭，以使上述第一输入端接收真空状态下量子涨落产生的真空态信号；上述第二输入端接收上述初始光信号；上述分束器适用于将上述真空态信号与上述初始光信号合并后输出包括上述真空态信号和上述初始光信号的第一光信号和第二光信号；以及
6、平衡探测器，适用于将上述第一光信号和上述第二光信号转换为依赖于上述第一光信号的第一电信号、依赖于上述第二光信号的第二电信号以及依赖于上述第一电信号和第二电信号的第三电信号；
7、采样和量化组件，适用于将上述第一电信号、第二电信号以及第三电信号分别转换为第一数字信号、第二数字信号以及第三数字信号；以及
8、数据处理组件，适用于根据上述第一数字信号和第二数字信号获得上述初始光信号的光波长、上述初始光信号的强度以及上述分束器的分束比，以及根据上述第三数字信号获得最终随机数。
9、根据本公开的实施例，根据上述初始光信号的光波长、上述初始光信号的强度、上述分束器的分束比以及上述第三数字信号获得条件最小熵，进而获得上述量子随机数发生器的可提取随机性的下界。
10、根据本公开的实施例，上述平衡探测器包括：
11、第一光电二极管，适用于基于上述第一光信号获得第四电信号；
12、第一分流器，适用于将上述第四电信号按比例分为第一电信号和第一子电信号；
13、第二光电二极管，适用于基于上述第二光信号获得第五电信号；
14、第二分流器，适用于将上述第五电信号按比例分为第二电信号和第二子电信号；以及
15、减法器，适用于将上述第一子信号和上述第二子信号进行作差处理，以输出第三电信号。
16、根据本公开的实施例，上述第一电信号的强度与上述第一子电信号的强度的比值满足；上述第二电信号的强度与上述第二子电信号的强度的比值满足。
17、根据本公开的实施例，上述采样和量化组件包括：
18、第一转换器，适用于将上述第一电信号转换为第一数字信号；
19、第二转换器，适用于将上述第二电信号转换为第二数字信号；以及
20、第三转换器，适用于将上述第三电信号转换为第三数字信号；
21、其中，上述第一转换器、第二转换器以及第三转换器均能够实现对上述第一电信号、第二电信号和第三电信号的放大。
22、根据本公开的实施例，上述探测组件还包括可调衰减器，上述可调衰减器适用于控制上述第一光信号和第二光信号的强度，使得上述第四电信号的强度和第五电信号的强度大小相同。
23、根据本公开的实施例，根据上述第一数字信号和上述第二数字信号，获得分束器的透射系数，上述分束器的透射系数可表示为公式（1）：
24、（1），
25、其中，表示上述分束器的透射系数；表示上述第一数字信号的平均值；表示上述第二数字信号的平均值；表示上述第一光电二极管和第二光电二极管的探测效率差异系数；为上述第四电信号经上述第一分流器和第一转换器的整体转换增益系数与上述第五电信号经上述第二分流器和第二转换器的整体转换增益系数之比；为上述初始光信号的波长。
26、根据本公开的实施例，上述初始光信号的平均光功率满足公式（2）：
27、（2），
28、其中，表示上述初始光信号的平均光功率；，为上述第一光电二极管的探测效率；为上述第二光电二极管的探测效率；为上述第四电信号经上述第一分流器和第一转换器的整体转换增益系数；为上述第一光电二极管和第二光电二极管的探测效率差异系数。
29、根据本公开的实施例，上述分束器的分束比满足公式（3）：
30、（3），
31、其中，表示上述分束器的分束比；表示上述分束器的透射系数。
32、根据本公开的实施例，上述分束器为2×2分束器，上述2×2分束器还包括第一输出端和第二输出端，上述第一输出端输出的上述第一光信号输入至上述第一光电二极管中；上述第二输出端输出的上述第二光信号输入至上述第二光电二极管。
33、根据本公开的实施例，通过设置光源组件提供初始光信号，设置包括分束器和平衡探测器的探测组件，分束器包括第一输入端和第二输入端，第一输入端封闭，以使第一输入端接收存在量子涨落的真空态信号；第二输入端接收初始光信号；分束器适用于将真空态信号与初始光信号合并后输出包括真空态信号和初始光信号的第一光信号和第二光信号，利用平衡探测器将第一光信号和第二光信号转换为依赖于第一光信号的第一电信号、依赖于第二光信号的第二电信号以及依赖于第一电信号和第二电信号的第三电信号，利用采样和量化组件将第一电信号、第二电信号以及第三电信号分别转换为第一数字信号、第二数字信号以及第三数字信号；利用数据处理组件根据第一数字信号和第二数字信号获得初始光信号的光波长、初始光信号的强度以及分束器的分束比，以及根据第三数字信号获得最终随机数，能够实时获得用于提供初始光信号的本振光的强度和波长的变化以及由波长变化引起的分束器分束比的变化，能够实时评估量子随机数发生器系统的可提取随机性，提高了量子随机数发生器系统的实际安全性。