基于孪生光束的量子随机数发生器

摘要

随机数在密码学、统计分析、数值模拟等方面具有重要应用。真随机性是量子物理的本质属性。量子随机数发生器利用量子事件中固有的随机性产生真随机数。目前，报道过的光量子随机数发生器主要包括：光子计数、衰减脉冲、激光位相噪声、量子真空起伏、拉曼散射、光学参量振荡器等。近年来，一些小组研发出产码率为Gbit/s的量子随机数发生器。基于光子集成线路的量子随机数发生器也在实验中得到了验证，体现出集成量子随机数发生器的可行性。目前基于光学参量振荡器的量子随机数发生器，主要是利用宏观光场的位相产生量子随机数。
　　本文实验实现了一种基于孪生光束的量子随机数发生器。参量下转换过程产生的孪生光束存在强度关联和量子纠缠特性。工作于阈值以上的非简并光学参量振荡器，将真空起伏放大，产生两束偏振正交的孪生光束。用两个光电探测器在时域上分别对两束孪生光束的强度噪声直接探测。孪生光束的强度噪声经信号处理系统转化为原始的随机数。通过选用合适的后处理方法，我们从中同时提取出两列量子随机数。通过对两列原始随机序列做后选择操作，从中筛选出完全相同的数据，并选用合适的哈希算法，我们得到两列完全相同的量子随机数。产生的量子随机数通过了NIST检测包的各项测试。该方案体现出通过宏观光场的强度噪声产生量子随机数的可行性。
　　本文主要内容如下：
　　1.利用工作于阈值以上的非简并光学参量振荡器产生孪生光束，观察到孪生光束的强度起伏在时域上存在75％的量子关联。通过合适的后处理算法，从孪生光束的强度噪声中同时提取出两列产码率为60 Mbit/s的量子随机数。
　　2.通过后选择过程，筛选出两列数据中相同的比特，使用同一套装置同时得到两列相同的量子随机数，产码率为29.8 Mbit/s。提取出的随机数通过了NIST统计检测包的各项测试，表明产生的随机数具有良好的随机性。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2随机数

1.3量子随机数发生器

1.4小结

第二章 孪生光束噪声特性的理论分析

2.1引言

2.2孪生光束噪声特性的理论分析

2.3小结

第三章 基于孪生光束产生量子随机数的实验方案

3.1引言

3.2实验方案

3.3实验结果

3.4小结

第四章 随机数后处理

4.1引言

4.2熵

4.3随机数后处理

4.4随机性检测

4.5数据处理

4.6小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

个人简况及联系方式

声明