使用光源和单光子探测器的随机数生成方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开在一个或更多个实施方式中涉及使用光源和单光子探测器的随机数生成 方法和随机数生成装置。更具体地，本公开涉及通过利用光源的统计特性和单光子探测器 的探测效率的优势来生成真随机数的、使用光源和单光子探测器的随机数生成方法和随机 数生成装置。
【背景技术】
[0002] 这部分的陈述仅仅提供与本公开相关的背景信息并且不一定构成现有技术。
[0003] 在从数值模拟到统计分析到密码技术的种种应用中都需要随机性。获得随机性的 方法已经从生成伪随机数的简单数学方法演进到通过利用物理现象生成真随机数的方法。
[0004] 与伪随机数生成器（PRNG)相反，真随机数生成器（TRNG)是根据来自包括电阻器、 半导体二极管以及放射性材料在内的来源的电气噪声来生成真随机数的概念。
[0005] 来自TRNG的同类，量子随机数生成器（QRNG)通过利用量子力学的原理生成真随 机数来实现TRNG。根据光的量子特性已经提出了各种各样的QRNG来生成数据，并且它们中 的很多依赖于入射在分束器上的光子的表现。
[0006] 图1是根据入射在分束器上的光子的表现的传统的量子随机数生成器（QRNG)的 示例图。
[0007] 如图1中所示，从光源110发出的光子120沿着两条路径中的其中一条路径由分 束器130发射并且通过单光子探测器（Sro) 140和141中的相应的一个单光子探测器探测。 根据SPD140和141中的哪一个探测到入射的光子120,生成0或1。这种方法的缺点在于， 针对每个光子120只能生成一个比特并且实际实现方式生成的比特少的多。由于探测事件 有助于比特的生成，比特生成率受到探测速度和探测效率的限制，并且因此，用于生成随机 比特的速度不可避免地比SPD140和141的最高探测速度低。作为对低速度的补充，提出 了一种具有多个单光子探测器来构造QRNG的方法，但是承受由于各单光子探测器的不同 探测效率导致的偏移。
【发明内容】
[0008] 技术问题
[0009] 因此，已经努力做出本公开来提供一种用于通过利用光的统计特性和单光子探测 器的探测效率的优势，通过多个单光子探测器来提高随机数生成速度的随机数生成装置和 方法。
[0010] 解决方案
[0011] 根据本公开的至少一个实施方式，随机数成成装置包括光源和多个单光子探测 器。光源被构造成发出具有围绕中心轴线对称的光强度分布的光通量，多个sro被设置在 距离光源的中心轴线的延长线相等的径向距离处并根据是否探测到光子来生成〇或1的比 特值。
[0012] 光源的光强度分布可以是包括高斯分布的轴对称分布。
[0013] 光源可以使用光学元件，该光学元件被构造成对发光器件的光通量滤波以生成关 于所述中心轴线对称的光通量。
[0014] 单光子探测器可以具有根据P=I-^Tnij+S表示的光探测概率，其中，P是单光子 探测器的光子探测概率，n是单光子探测器的探测效率，y是入射在单光子探测器上的光 通量的光强度，并且s是用于将单光子探测器的暗计数概率考虑在内的系数。
[0015]n、y和s的值可以被设置成使得单光子探测器的光子探测概率p为〇. 5。
[0016] 多个单光子探测器可以设置在距离光源的中心轴线的延长线相等的径向距离处。
[0017] 随机数生成装置还可以包括随机数生成功能，该随机数生成器被构造成根据从多 个单光子探测器输出的比特来生成随机数。
[0018] 随机数生成功能可以在各个时刻对从多个单光子探测器输出的比特的组合按顺 序排列，以生成随机数。
[0019] 随机数生成功能可以对从多个单光子探测器输出的比特进行奇偶生成计算，以生 成随机数。
[0020] 随机数生成功能可以根据时刻顺序对在同一时刻从多个单光子探测器输出的比 特的组合按顺序排列来生成原始比特串，并且根据所生成的原始比特串进行奇偶生成计算 来生成随机数。
[0021] 随机数生成功能可以向所生成的原始比特串应用预定大小的掩码来生成奇偶位 并进行连续的奇偶位计算，以生成随机数，各个奇偶位计算具有从生成当前奇偶位的位置 的至少一个比特位移。
[0022] 随机数生成功能可以对从多个单光子探测器输出的各个比特串进行奇偶生成计 算，以生成随机数，然后对针对各个单光子探测器生成的奇偶位按顺序排列。
[0023] 根据本公开的另一实施方式，一种利用光源和单光子探测器生成随机数的方法包 括以下步骤：发出具有围绕中心对称的光强度分布的光通量；通过设置在距离光强度分布 的对称轴相等径向距离处的多个单光子探测器根据是否探测到光子来生成比特串；以及进 行用于基于从所述多个单光子探测器输出的所述比特串生成所述随机数的后期处理。
[0024] 根据本公开的又一实施方式，随机数生成装置被构造成利用通过在多个点处探测 来自从光源发出的光通量的单光子、将是否探测到该单光子转换成〇或1的数字值然后对 该数字值进行数学计算而获得的结果来生成随机数。
[0025] 根据本公开的又一实施方式，用于生成随机数的方法包括：利用通过在多个点处 探测来自从光源发出的光通量的单光子、将是否探测到该单光子转换成〇或1的数字值然 后对该数字值进行数学计算而获得的结果来生成随机数。
[0026] 有益效果
[0027] 根据如上所述的本公开，可以通过N个单光子探测器针对各个时刻生成N个比特， 以便利用比根据单光子探测器生成真随机数的其它方法高的速度来生成随机数。
[0028] 各个单光子探测器的光探测概率可以通过调整单光子探测器的光子探测效率、入 射在单光子探测器上的光通量的发光强度等被设置成〇. 5,这使得可以在实践中使用低成 本的发光二极管（LED)以及用于生成相干光脉冲的激光二极管乃至随机光源。
[0029] 为了消除由于多个单光子探测器的性能差异等而在随机数串中出现的偏移，可以 进行奇偶操作，从而增强随机性。
[0030] 另外，根据本公开的至少一个实施方式的随机数生成装置可以生成真随机数，因 此适用于量子密码学应用。
【附图说明】
[0031] 图1是根据入射在分束器上的光子的表现的传统的量子随机数生成器（QRNG)的 示例图。
[0032] 图2是根据本公开的至少一个实施方式的随机数生成装置的构造的示意图。
[0033] 图3是从光源生成的光通量的光强度的分布的示例图。
[0034] 图4a和图4b是用于通过顺序地排列在各个时刻从各自单光子探测器输出的比特 来生成随机数串的方法的图。
[0035] 图5a、图5b和图5c是用于通过对通过顺序地排列单位比特串而生成的原始比特 串进行异或运算（XORing)来生成随机数串的方法的图。
[0036] 图6是用于通过对来自各自单光子探测器的单位比特串进行异或运算然后顺序 地排列得到的串来生成随机数串的方法的图。
【具体实施方式】
[0037] 下面，将参照附图详细描述本公开的至少一个实施方式。在下面的描述中，相同的 参考标记指定相同的元件，尽管这些元件被示出在不同的附图中。另外，在至少一个实施方 式的下面的描述中，为了清晰和简洁起见，将省略本文中包括的已知功能和结构的详细说 明。
[0038] 此外，在描述本发明的部件时，使用如同第一、第二、A、B、（a)和（b)的术语。这