子之间的时间间隔大于单光子探测器的最小可 分辨时间。衰减强弱可通过后续两个单光子探测器的计数率判断，比较合适的衰减程度为 单光子探测器的计数率各为每秒几到几十万，降低衰减程度可提高随机信号生成速率。 [0057] 所用单光子探测器在940nm附近的探测效率为30%左右，死时间为20ns，最小分辨 时间为350ps，最大暗计数为每秒50个。由于光子入射单光子探测器后，单光子探测器以一 定概率随机输出电脉冲信号，因此探测器的探测效率不为100%并不影响随机信号的随机 性。
[0058] 探测器的输出信号经分束模式下的NB3N551芯片分束后，一路输出接入ID800型符 合计数仪，另一路输出接入调制模式下的NB3N551芯片输入端。其中分束模式的NB3N551芯 片Vdd引脚的接入电压为+5 V，可保证单光子探测器输出高电平信号时，经分束后的输出信号 仍为TTL高电平；调制模式的NB3N551芯片VDD引脚的接入电压取决于随机信号驱动装置需 求，其输出信号幅度与Vdd引脚的接入电压大小的关系见图5。随机信号经调制后输入信号驱 动装置。驱动装置经一定延时后输出运行结果和同步脉冲信号，其中同步脉冲信号输入符 合计数仪，运行结果保留等待后选择处理。驱动装置的处理结果和同步脉冲信号应在同一 时刻输出，或保证二者之间可相互一一对应。
[0059] 由于LED光源的热光场性质，因此不论其衰减程度多强，总存在多光子在很短时间 间隔内同时入射光分束器的情况，若一部分光子透射，另一部分反射，两路单光子探测器在 探测到光子后会同时输出信号。一方面，两路信号同时输入随机信号驱动装置是可能会导 致其运行结果不准确；另一方面，当两路探测器同时响应时无法判断应当输出何种比特序 列。此外多光子在短时间内同时入射时，这些光子之间可能具有较强的相干性，因此这些光 子之间的出射路径存在一定关联，这会影响生成信号的随机性。
[0060] 另外由于雪崩二极管型单光子探测器具有后脉冲效应，当光子入射探测器并被探 测到后，有可能在较长延时后才输出相应信号。这会影响生成信号的随机性，尤其会增强其 在时间上的关联性。
[0061] 为解决以上两个问题，可采用符合处理对数据进行筛选。以下为符合处理的基本 方法：
[0062] 符合处理是通过分析在某一时间窗口内多路输入信号的情况，以决定保留或是丢 弃该信号及其对应数据。令图1中连线2、3分别对应透射路与反射路，连线6、7对应的信号线 分别接入符合计数仪的端口 1与端口 2。设端口 1有一高电平信号输入为事件a，端口 2有一高 电平信号输入为事件b。如下表所示，当事件a或事件b发生时，立即打开一符合窗口，在该窗 口内（包括窗口打开时刻)有三种情况。对这三种情况分别采取下表所示的数据处理方式， 并将在符合窗口关闭后一定时间(符合死时间）内的输入信号及对应数据全部丢弃。其中符 合窗口宽度建议值为3ns，符合死时间建议值为500ns。
[0063]
'[0064] 采用上表的处i方式可消除多光子"时入射的影响，而通i设置符合死时间可以1 消除单光子探测器后脉冲效应以及多光子相干的影响。
[0065] 设从光子到达光分束器，之后被探测器探测，最后输出信号进入符合计数仪输入 端口所经过的时间为T0;从光子到达光分束器，之后被探测器探测，输出信号进入随机信号 驱动装置，最后随机信号驱动装置输出同步信号进入符合计数仪输入端口所经过的时间为 T1。那么在符合处理中各随机信号对应延时为(T1-T0)的驱动装置同步信号。只保留与符合 处理后剩余随机信号相对应的驱动装置同步信号，同时丢弃与未保留的同步信号相对应的 驱动装置运行结果，即可得到真随机信号调控下的驱动装置运行结果。将经过符合处理后 的随机信号转换为随机比特，并按时间顺序排列后，对该随机比特序列进行TestUOl中的 Rabbit标准测试，其可以通过该标准检测中各项检测，表明经符合处理后的随机信号具有 良好的统计随机特性。
[0066] 为使本发明的时效性足够高，从光子到达光分束器到信号输入随机信号驱动装置 所经过的时间应当尽量短。作为一个具体实施例，光分束器到单光子探测器的距离为15cm， 其中单模光纤长度为l〇 cm。探测器与电分束器、电分束器与信号调制器之间通过长度约1cm 的信号转接头相连，信号调制器与随机信号驱动装置之间采用lOcmBNC信号线连接，以上光 路及电路引入的延时为1.3n s。此外单光子探测器的输入输出延时为20n s，NB3N5 51的输出 输入延时为皮秒量级，可忽略不计。因此延时总计为21.3ns。可见本发明具有很高的时效 性。另外，在实际操作中，两路之间的光程不可能完全相同，可能会存在1到2cm的误差。该误 差引入的延时为33ps到67ps，可以忽略不计。
【主权项】
1. 一种数据处理后置型的即时真随机信号发生器，包括一个光源、一个光分束器、两个 单光子探测器、两个电分束器、两个信号调制器、一个随机信号驱动装置、一个数据采集装 置和一个数据处理模块； 所述光源用于发出光子； 所述光分束器用于将所述光源发出的光子随机地透射或反射； 所述两个单光子探测器分别位于所述光分束器的透射光路和反射光路上，分别用于探 测从所述光分束器透射和反射的光子，并在探测到光子时产生一电脉冲信号； 所述两个电分束器分别用于对两个单光子探测器输出的电脉冲信号进行电分束后，分 束后的一路输入所述数据采集装置，另一路分别通过两个信号调制器中的一个后输入所述 随机信号驱动装置； 所述两个信号调制器分别用于对输入的电脉冲信号进行幅度调制，以匹配所述随机信 号驱动装置所需电压； 所述随机信号驱动装置用于在所述电脉冲信号的调控下输出运行结果和同步电脉冲 信号，并将该同步电脉冲信号输入所述数据采集装置； 所述数据采集装置用于将相关数据输入数据处理模块； 所述数据处理模块用于对数据进行符合处理，以使生成的随机信号获得良好的统计随 机特性。2. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，所述 光源由LED灯珠、单模光纤、光纤親合器和可调光衰减器构成。3. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，所述 电分束器输出短上升时间、幅度相等的两路电信号，当单光子探测器输出高电平信号时，经 分束后的信号仍为逻辑高电平。4. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，随机 信号驱动装置的运行输出结果与输出同步信号之间一一对应。5. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，数据 采集装置用于标记各输入端口每个高电平信号的输入时刻。6. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，从光 子通过光分束器反射或透射到反射路或透射路信号进入数据采集装置所经时间为T0,光子 通过所述光分束器到随机信号驱动装置输出的对应同步信号进入数据采集装置所经时间 为T1，同步信号所对的随机信号为延时，S卩T0-T1时刻的随机信号。7. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，所述 数据处理模块的符合处理包括:对反射路信号与透射路信号做选择处理，即先将反射路信 号与透射路信号两路信号之间时间间隔小于符合窗口宽度的信号全部丢弃，再检索同路信 号中时间间隔小于符合死时间的信号，并丢弃除最先产生的信号外的其他信号，，最后得到 真随机信号。8. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，所述 数据处理模块的符合处理只保留与选择处理后剩余真随机信号对应的驱动装置同步信号。9. 根据权利要求1所述的数据处理后置型的即时真随机信号发生器，其特征在于，所述 光分束器由偏振片和偏振分束器构成，光通过时分别以50 %的概率透射或反射。
【专利摘要】本发明公开了一种数据处理后置型的即时真随机信号发生器，包括光源、光分束器、单光子探测器、电分束器、脉冲调制器、随机信号驱动装置、数据采集装置和数据处理模块。通过探测光子经光分束器后透射或是反射以生成随机信号，并将该信号经调制后输入需要随机信号调控的装置，最后对该装置的输出数据进行后选择处理，可以得到真随机信号调控下的输出结果。本发明基于光量子效应，所产生的随机信号可以通过TestU01中的Rabbit标准测试，具有成本低、输出信号时效性高、驱动性强的特点，可用于信息加密、验证量子非局域性等应用领域。
【IPC分类】G06F7/58
【公开号】CN105468332
【申请号】CN201510815400
【发明人】王轶韬, 唐建顺, 何德勇, 李传锋, 郭光灿
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月20日