基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及超高速的量子随机数产生技术，具体涉及基于激光相位波动的超 高速量子随机数发器。
【背景技术】
[0002] 随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的 一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛 模拟、数值计算、随机抽样等都有着广泛而重要的应用。
[0003] 根据随机数的特性，随机数可以分为两类：伪随机数和真随机数。伪随机数通常由 基于某特定初值的算法产生，对于确定的算法和对算法赋予的初值，其随机数序列是确定 的，所以本质上并非真正的随机数序列。因此无法用于某些对于安全性要求较高的领域。
[0004] 真随机数通常具有以下三个特征：不可预测性、不可重复性、无偏性。真随机数发 生器通常需要基于真实的具有自然随机性的物理系统，而物理系统又可以分为经典的与量 子的。基于量子物理系统的量子随机数发生器，其随机性来源清晰、客观、安全，特别适合对 于随机性要求较高的应用场景，是近年来的发展方向。
[0005] 现有的量子随机数发生器方案中，基于单光子路径选择的方案，其比特率达为 IMbps量级，而基于光子到达时间的方案，其比特率达到了 IOOMbps量级。对于下一代高速 量子通信系统，需要的随机数达到IOGbps以上，这就需要新的技术方案来满足对比特率的 需求。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的首要目的在于提供一种基于激光相位波动的超高速量子随机数发 器，包括激光光源、双光束干涉仪、相位控制系统、光电探测器和模数转换器，其中，
[0007] 所述双光束干涉仪包括环形器、分束器、第一反射镜和第二反射镜，
[0008] 所述分束器包括设置在输入侧的第一端口 B1、第二端口 B2和设置在输出侧的第 三端口 B3、第四端口 B4 ;
[0009] 相位控制系统包括压控移相器，所述第一端口 Bl与所述相位控制系统的输入端 采用光纤耦接；所述第三端口 B3依次与所述压控移相器和第一反射镜光纤连接，所述第四 端口 B4与所述第二反射镜光纤连接；
[0010] 所述环形器的输入端Cl与激光光源的输出端采用光纤耦接，所述环形器的收发 复用端C2与所述第二端口 B2采用光纤耦接，所述环形器的输出端C3与所述光电探测器的 输入端采用光纤耦接；
[0011] 所述光电探测器的输出端与所述模数转换器的输入端连接。
[0012] 所述相位控制系统还包括依次连接的光功率计、PID控制器和压电控制器，所述光 功率计的输入端与所述第一端口 Bl采用光纤耦接，所述压电控制器的输出端与所述压控 移相器的控制端连接。
[0013] 所述激光光源用于将激光束输出到所述双光束干涉仪中，
[0014] 所述双光束干涉仪用于使输入的激光束发生双光束干涉，并将发生干涉的光束分 成两束光束输出，其中一束光束输出到相位控制系统，另一束光束输出到光电探测器；
[0015] 所述相位控制系统包括设置在所述双光束干涉仪的其中一个干涉光路上的压控 移相器，所述相位控制系统用于根据输入的光束调节所述压控移相器的电压，从而使双光 束干涉仪的两个干涉光路上的光束的相位差保持在预定值；
[0016] 所述模数转换器用于将所述光电探测器输出的信号转换为数字信号，根据所述数 字信号生成原始随机数序列。
[0017] 所述分束器用于将输入到所述第二端口 B2的光束分成两束，分别从所述第三端 口 B3和第四端口 M输出，所述分束器还用于使所述第三端口 B3和第四端口 M返回的光 束发生干涉后分成两束光束，其中一束光束从所述第一端口 Bl输出到所述相位控制系统， 另一束光束从所述第二端口 B2输出到所述光电探测器。
[0018] 进一步地，所述双光束干涉仪还包括环形器，所述环形器的输入端Cl用于接收激 光光源输出的激光束；
[0019] 所述环形器的收发复用端C2用于将输入端Cl接收的激光束输出到所述第二端口 B2,所述环形器21的收发复用端C2还用于将从所述第二端口 B2输出的光束输出到环形器 21的输出端C3，
[0020] 所述环形器的输出端C3用于将输入的光束输出到所述光电探测器。
[0021] 所述光功率计的输入端用于接收所述第一端口 Bl输出的光束。
[0022] 所述第一端口 Bl与所述相位控制系统的输入端采用光纤耦接。
[0023] 所述第四端口 B4、压控移相器和第一反射镜形成第一干涉光路，所述第三端口 B3 和第一反射镜形成第二干涉光路；
[0024] 所述环形器的输入端Cl与激光光源的输出端连接，所述环形器的收发复用端C2 与所述第二端口 B2连接，所述环形器的输出端C3与所述光电探测器的输入端连接；
[0025] 所述第一端口 Bl与所述相位控制系统的输入端采用光纤耦接。
[0026] 优选地，所述分束器的分光比为50:50。
[0027] 优选地，所述激光光源为连续激光光源。
[0028] 优选地，所述双光束干涉仪的各组件之间均为光纤连接。
[0029] 优选地，所述第一反射镜和第二反射镜均为法拉第旋转镜。
[0030] 可替换地，所述分束器为保偏分束器，所述光纤为保偏光纤。
[0031] 优选地，所述激光光源的工作波长为1550nm，激光光源为激光二极管。
[0032] 相应地，本实用新型还提供了一种基于激光相位波动的超高速量子随机数发生方 法，包括以下步骤：
[0033] Sl、产生激光束；
[0034] S2、将激光束分成两束光束发生干涉；
[0035] S3、将干涉后的光束分成两束光束，其中一束光束输出到相位控制系统，相位控制 系统根据输入的干涉光束调节其中一个干涉光路上的光束的相位，使两个干涉光路上的光 束的相位差保持在预定值；另一束光束输出到光电探测器；
[0036] S4、将光电探测器输出的信号转换为数字信号，生成原始随机数序列。
[0037] 本实用新型包括激光光源、双光束干涉仪、相位控制系统、光电探测器和模数转换 器，激光光源的输出的光辐射通过双光束干涉仪进行干涉，双光束干涉仪的两个干涉光路 之间具有预定的接入臂长差，在其中一个干涉光路上设置有压控移相器，相位控制系统通 过调节所述压控移相器来保证两个干涉光路的相位差保持在预定值，从而实现激光光源的 相位波动与干涉仪的输出光强一一对应，通过光电探测器和模数转换器输出随机数的原始 数据，所述原始数据经过后处理得到最终的量子随机数。
[0038] 本实用新型通过将光子自发辐射的随机相位信息，转化成随机光强信息，再进行 高速采样得到高速量子随机数序列。激光光源发出均匀的连续激光，经过干涉仪将相位波 动转换成光强变化，再由光电探测器转换成电压信息送入模数转换器，得到原始随机数序 列。原始随机数再经过基于快速傅里叶变换的Toeplitz矩阵处理，得到随机性能够被信息 理论证明的最终随机数，可以通过NIST等随机性检验。与现有技术中采用单光子探测方案 的量子随机数发生器相比，本实用新型的主要优势在于基于激光相位波动产生的量子随机 数方案能够大幅度提高随机数产生速率。单光子探测方案通常受限于单光子探测器的计数 率，使得该方案的比特率难以突破百兆量级。本实用新型中的技术方案最终生成的随机数 比特率能够达到50Gbps以上，极大地提高了随机数的产生速率。
【附图说明】
[0039] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附 图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动 的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0040] 图1是本实用新型实施例提供的基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器 的结构框图；
[0041] 图2是本实用新型实施例提供的基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器 的比特率与采样率的关系曲线；
[0042] 图中：1-激光光源，2-双光束干涉仪，3-相位控制系统，4-光电探测器，5-模数转 换器，21-环形器，22-分束器，24-第一反射镜，25-第二反射镜，31-光功率计，32-PID控制 器，33-压电控制器，34-压控移相器。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0044] 实施例：
[0045] 请参见图1，本实用新型实施例提供了一种基于激光相位波动的超高速量子随机 数发生器，包括激光光源1、双光束干涉仪2、相位控制系统3、光电探测器4和模数转换器 5，
[0046] 所述双光束干涉仪2包括环形器21、分束器22、第一反射镜24和第二反射镜25，
[0047] 所述分束器22包括设置在输入侧的第一端口 B1、第二端口 B2和设置在输出侧的 第三端口 B3、第四端口 M ;环形器21包括输入端CU收发复用端C2和输出端C3，
[0048] 所述相位控制系统3包括依次连接的光功率计31、PID控制器32和压电控制器33 和压电移相器34,所述光功率计31的输入端与所述第一端口 Bl连接，所述压电控制器33 的输出端与压控移相器34的控制端连接。压电移相器34设置在双光束干涉仪的其中一个 干涉光路中。
[0049] 所述第四端口 B4、压控移相器34和第一反射镜24形成双光束干涉仪2的第一干 涉光路，所述第三端口 B3和第二反射镜25形成双光束干涉仪2第二干涉光路；
[0050] 双光束干涉仪2具有两个用于产生双光束干涉的干涉光路，称为第一干涉光路和 第二干涉光路，第一干涉光路和第二干涉光路也称为干涉仪的两臂。干涉仪的两臂的路径 长短不同，光程不同，则光经过两条路径所耗时间不同，光经过两条路径所耗的时间差即为 双光束干涉仪2的接入臂长差；
[0051] 所述环形器21的输入端Cl与激光光源1的输出端采用光纤耦接，所述环形器21 的收发复用端C2与所述第二端口 B2采用光纤耦接，所述环形器21的输出端C3与所述光 电探测器4的输入端采用光纤耦接；
[0052] 所述第一端口 Bl与所述相位控制系统3的输入端采用光纤耦接。
[0053] 所述双光束干涉仪2的类型包括马赫曾德干涉仪和迈克尔逊干涉仪。
[0054] 所述分束器22的分光比为50:50。
[0055] 激光光源1输出的连续相干光输入到环形器21的输入