基于光子数可分辨探测的真随机数发生器

摘要

本发明公开了一种基于光子数可分辨探测的真随机数发生器，属于量子保密通信类，是利用光子数可分辨探测器的分辨入射光子数的特性，根据泊松分布的不确定性原理，将不同光子数入射事件组合成2-bit随机数序列。其主要由光子数可分辨探测模块、光子数鉴别处理模块和随机数采集模块组成，能实现量子保密通信中所需高速随机密钥的产生。该随机源稳定可靠，利用光量子的随机特性，产生的真随机数无法被重复和破译，无需复杂的后处理过程，方便使用。

说明书

技术领域

本发明属于量子保密通信类，具体指的是一种基于光子数可分辨探测的真随机数发生器，用以实现量子保密通信中所需的高速随机密钥的产生。

背景技术

随着全球信息化时代的来临，信息安全已经成为各国普遍关注的问题。在量子保密通信系统中，随机数起着极其关键的作用，它作为掩码通过相位调制器加载在单光子上，然后传输到通信的合法接收端。若作为掩码的随机数不是真随机数，编码后的信息就很可能被第三方窃听者破译，从而威胁到通信的安全性。因此，如何产生稳定安全的真随机数成为量子保密通信系统中一个至关重要的环节。

近年来，随机数的研究已经逐步深入，其应用也已经渗透到各个领域，如数字签名、身份认证、彩票抽奖、统计采样等。然而，目前诸多领域中所采用的随机数从真正意义上来说并不是真随机的，大多是利用计算机，通过一系列复杂的数学算法来产生随机序列，虽然此方法产生随机数的速度快又方便，但是由于算法是特定的，所以也存在破解的可能行，所以也被称为伪随机数。

目前，真随机数的获得主要是通过利用自然界各种物理随机特性的方法来实现，比如半导体内部的热噪声和电路噪声，自激振荡器中的频率不稳定性，放射性元素的衰减等。但是，无论何种经典系统在理论上噪声或随机量随时间演化的过程，并且外界因素对经典系统的影响也是存在的，因此这些方法并不是产生随机数的最佳方法。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种基于光子数可分辨探测的真随机数发生器，用以提供一种高速率、安全稳定的量子真随机数源，利用光子数可分辨探测器的分辨入射光子数的特性，根据泊松分布的不确定性原理，将不同光子数入射事件组合成随机数序列。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种基于光子数可分辨探测的真随机数发生器，利用光子数可分辨探测器的分辨入射光子数的特性，根据泊松分布的不确定性原理，将不同光子数入射事件组合成随机数序列，该真随机数发生器至少包括：

（1）    光子数可分辨探测模块，用于产生并提取所述光子数可分辨探测器的雪崩信号；

（2）    光子数鉴别处理模块，连接光子数可分辨探测模块，并将所述雪崩信号进行幅值比较，转化成数字信号；

（3）    随机数采集模块，采集光子数鉴别处理模块输出的所述数字信号，形成随机数序列。

在步骤2）中，首先根据所提取的雪崩信号，通过光子数的拟合得出探测到的每脉冲平均光子数，然后按照泊松分布的公式计算出出现不同光子数的概率，最后根据所划分的光子数层次分布，确定光子数鉴别处理模块中每路信号幅值的比较器参考比较电平，以筛选出每次探测到的光子数，转化成数字信号输出。

上述的光子数可分辨探测模块主要包括时钟信号源、功率分配器、脉冲激光器、光衰减器、多像素光子计数器、运算放大器、延时器、脉冲发生器、电衰减器和功率合束器；所述时钟信号源由功率分配器分成两路，分别作为激光器与定位脉冲的系统时钟，一路时钟信号进入激光器并随激光器产生的激光脉冲经由一个光衰减器入射到多像素光子计数器上；功率分配器输出的另一路时钟信号经过一个延时器后送给脉冲发生器，脉冲发生器产生的定位脉冲通过电衰减器降幅之后与多像素光子计数器上产生的雪崩信号在功率合成器汇合，所述功率合成器将雪崩信号与定位脉冲进行幅度上的叠加，以提取所述雪崩信号。

上述多像素光子计数器工作在被动模式下，雪崩增益处于非饱和状态。

上述光子数鉴别处理模块由若干光子数鉴别处理单元并联组成，所述光子数鉴别处理单元由鉴别比较器和整形器串联构成。

上述随机数采集模块由NI数据采集设备和计算机处理模块组成。

本发明的优点是，能实现量子保密通信中所需高速随机密钥的产生，随机源稳定可靠，利用光量子的随机特性，产生的真随机数无法被重复和破译，无需复杂的后处理过程。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构图；

图2为本发明实施例的雪崩信号幅度分布图。 

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

量子力学的基本量由于具有不可预测性，且无规律不会重复，是完全随机的，因此利用量子力学基本量在一些方面表现出的真随机性可以用来产生真随机数。众所周知，一定强度的相干光源具有泊松光子数统计的特性，而对于相干光的探测，其结果也是符合泊松分布的。例如，若调节光强使得平均每脉冲包含光子数为2，而实际上每次探测到的光子数是不确定的，可以为0、1、2、3等不同的数值，但是根据泊松分布的原理，每个数值出现的概率是确定的：

                      （1）

式（1）中，P（n）是指探测到光子数为n的概率，是指所探测到平均每脉冲包含的光子数。这就意味着，在特定的平均光子数下，探测到不同光子数的事件都有其固定的几率，如果将这些事件进行排列组合，使其概率相加相等，例如1-bit随机数包含0和1两个元素，每个元素出现的概率为50%，就需要将探测到不同光子数的事件分成两组，每组概率相加等于50%；2-bit随机数包含00、01、10和11四个元素，每个元素出现的概率为25%，将探测到不同光子数的事件分为四组，使得每组概率相加均为25%。本发明实施例就是按照该原理完成了2-bit的随机数源。

本发明主要由光子数可分辨探测部分、光子数鉴别处理部分和随机数采集部分组成。光子数可分辨探测部分是由时钟源、功率分配器、激光器、光衰减器、多像素光子计数器（MPPC）、放大器和延时器、脉冲发生器、电衰减器、功率合束器组成。这里采用了新型多像素光子计数器来代替传统的雪崩光电管，它是由10×10个Si-APD集成在一个1mm2的阵列上，它们具有共同的阴极与阳极，当光子同时入射到不同的Si-APD上时，产生的雪崩电流能叠加输出，因而具有极高的光电响应率，可以利用雪崩幅度的差别来分辨光子数。由半导体激光器发出的一定强度的光入射到多像素光子计数器上，在偏置电压的激励下，就会产生一定幅度的雪崩电压；为了摒除后脉冲的影响于是加入了另一路脉冲发生器，在延时器的精确调节下使得定位脉冲正好处于雪崩发生点的位置。再通过功率合束器将定位脉冲和雪崩信号合成，就使得雪崩信号被提取出来。

光子数鉴别处理部分由五路鉴别比较器和整形器组成。采集到的雪崩信号被分成5路，分别通过5个鉴别比较器，这样就将雪崩信号按照幅度划分成了若干个层次，区别出探测到的不同的光子数，以便组合成为2-bit随机数中的不同元素。再通过整形器将其转化为标准的数字信号以便后续采集处理。

随机数采集部分由NI（National Instruments）数据采集设备和计算机处理程序实现。根据雪崩幅度，按照所设定好的分类方式将探测到的不同光子数分给2-bit的4个随机元素，从而生成最终的随机数序列。

本实施例如图1所示，由时钟源提供的时钟经过功率分配器分成两束，分别作为激光器与定位脉冲的系统时钟，由激光器产生的激光脉冲经过一个光衰减器入射到多像素光子计数器（MPPC）上。其中，MPPC是工作在仅有直流偏置电压激励的被动模式下，并没有采用常规的门模式，这样做的原因是工作在门模式下的MPPC中的Si-APD由于其容性特征，每个时钟周期门脉冲到来时，都会在MPPC上引起充电放电效应而产生一对容性尖峰脉冲，为了能提取出所需的雪崩信号，就必须消除该容性尖峰脉冲，此时所需的后续噪声抑制电路如电容平衡、双APD平衡、自平衡等电路，将会使得整个系统变的比较复杂。所以，此处并没有采用该模式，而是使其工作在最简单的被动模式，再利用同步定位脉冲将雪崩提取出来。

图1中功率分配器输出的另一路时钟信号经过一个精确可调的延时器后送给了脉冲发生器，产生的定位脉冲通过电衰减器降幅之后与另一路雪崩信号进行汇合。脉冲发生器产生的脉冲在延时器与衰减器的双重调节下，可以获得一个幅度，宽度都比较合适的定位脉冲，使其既能将雪崩有效的提取出来，而后脉冲效应和绝大部分的暗噪声都会被隔离在定位脉冲之外。而提取的方法就是利用功率合成器将雪崩信号与定位脉冲进行幅度上的叠加，使得真正发生雪崩的部分在叠加后能够超出其他如后脉冲与暗噪声的最大幅度。

本实施例中，提取出的雪崩信号在幅度上的分布如图2所示，横轴是所发生雪崩的幅度，纵轴是发生雪崩每个幅度所对应的概率。每个光子数峰都能很清楚的分辨出来，从左到右分别是0光子峰、1光子峰、2光子峰等依次递增。通过光子数的拟合可以得出探测到的每脉冲平均光子数为2.64，按照泊松分布的公式（1）所计算出每次出现不同光子数的概率为：

 0-光子1-光子2-光子3-光子4-光子5-光子6-光子7及更多光子

7.1%18.8%24.9%21.8%14.4%7.6%3.3%2.1%

     据此，可以设置当探测到0个光子和1个光子的时候，记为2-bit随机数的00，当探测到2个光子的时候，记为2-bit随机数的01，当探测到3个光子和6个光子的时候，记为2-bit随机数的10，当探测到4个光子、5个光子和7个以上光子的时候，记为2-bit随机数的11。图1中光子数鉴别处理部分的比较器选用的芯片是AD96685高速比较器，按照上述分析可以将5路比较器电平分别设置在光子数峰的交界点处，由于2-bit随机数中4个元素的比例并不是完全均匀，因此可以根据实际情况将比较器电平适当做些微调，使得四者比例相等。5路比较器输出的信号再通过整形器转换为TTL标准电平数字信号，送入NI数据采集设备，由计算机进行处理分析，得到最终的随机2-bit流序列，速率可达到10Mb/s以上，并通过了NIST标准统计测试，14项测试均通过，测试结果如下表：

 统计测试项目P valueProportion结果Frequency0.005680.989通过Block   Frequency0.070740.984通过Cumulative   Sums0.175690.991通过Runs0.993230.994通过Longest Run0.107510.995通过Rank0.098920.987通过NonOverlapping Templates0.94220.983通过Overlapping   Templates0.011140.981通过Universal0.39420.991通过Approximate   Entropy0.832560.986通过Random   Excursions0.966180.9841通过Random   Excursions Variant0.116150.9841通过Serial0.788730.985通过Linear   Complexity0.366920.991通过