具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法

摘要

一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法是对光学设备产生的超短脉冲序列进行光谱切割，获得N路窄带超短脉冲序列，后进行时域展宽，得到脉宽较宽的窄带短脉冲序列，然后转换为电信号，进而进入模数转换器转换成相应的高低电平，从而实现重复频率为f的N路独立真随机码产生。本方法所产生的随机数序列不存在周期性，单路码率可达十 Gbps量级，并能同时输出至少N=1000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性至少提高了3~4个数量级，极大地满足了现代大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。

说明书

技术领域

本发明与一种并行随机数产生方法有关，尤其是一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，应用于蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域。

背景技术

蒙特卡罗仿真在核物理、计算化学、生物医学、金融工程学、宏观经济学、气象学、社会学等领域有着重要应用。

随机数是蒙特卡罗仿真的基石，其质量决定蒙特卡罗仿真的精确程度，其速率制约仿真速度；并且仿真中消耗随机数的量越多，对随机数的质量要求越高。

随着计算模型日益复杂和计算量不断增加，现行蒙特卡罗仿真一般采用多个处理器并发地执行，即“并行蒙特卡罗仿真”，其面临的首要问题就是多路并行随机数的高速产生，称作“并行随机数产生方法”。

一个优秀的并行随机数产生方法必须满足以下条件：1）不含序列内相关性。即每个处理器上所用的随机数序列必须具有高质量的随机特性；2）不含序列间相关性。即多个并行处理器所用的多路随机数序列之间要相互独立；3）具有可扩放性。即根据实际需要，随机数发生器可同时产生出任意N路独立的随机数序列。

利用计算机，通过一定的并行化算法对伪随机数发生器进行处理，可方便地获得并行随机数，称为“并行伪随机数产生方法”。该类方法具有高速率、低成本、易构建等优点，但存在着致命缺陷，即该类方法是基于种子和确定性算法实现的，具有周期性，超过一定长度将会完全重复——这一“阿喀琉斯之踵”严重限制了其大量产生随机数的能力，局限了其在大规模并行计算领域的应用。

基于自然界随机现象构建并行随机数发生器，可提供非周期、不可预测、无限数量的真随机数，称作“并行真随机数产生方法”。早期人们利用一个二维探测器阵列对激光器散斑分布进行探测和编码实现并行真随机数的产生[Appl. Opt. 25(1): 26-30 (1986)]。但遗憾的是，受限于传统物理熵源带宽低且可扩放性差，该类方法码率处于Mb/s量级，与实际需求相去甚远。

近年来，随着高带宽光子熵源的出现，真随机数发生器取得了跨越式发展，速率可达Gb/s量级。典型的实现方法有：1）基于放大自发辐射光噪声（ASE）提取真随机数 [Opt. Express 18(23), 23584–23597, 2010]；2）基于混沌激光提取真随机数 [Opt. Express, 21(17): 20452-20462,2013]；3）基于量子真空态获取真随机数[Appl. Phys. Lett. 98(23): 231103, 2011]。但是，上述真随机数产生方法虽具有较高码率，却属于“串行”随机数产生器，只能输出一路随机码序列，不符合高质并行真随机数的要求，无法应用于大规模蒙特卡洛仿真及并行计算领域。

上述利用并行伪随机数产生方法能快速产生随机数，但无法克服算法本身固有周期性的限制，不具备产生大量随机数的能力；利用传统并行真随机数产生方法拥有产生大量无周期随机数的能力，但受限于随机数信号源带宽，无法实现真随机数的快速产生；近年来发展起来的新型真随机数产生方法虽具有Gb/s的快速随机数产生能力，但却只能输出一路随机数，可扩放性极差。

事实上，当前蒙特卡罗仿真在并行环境中的计算量至少是串行情形下的10～10⁵倍，要求相应随机数的产生速度和数量均需大幅度提升。根据2014年“国际 TOP 500组织”公布的最新全球超级计算机500强榜单，当前并行计算机已拥有并发执行数千、甚至上万只处理器的能力，要求具有与之相匹配的可扩性能力的并行真随机数发生器。因此，发展与当前需求相匹配、兼具超强可扩放性及快速产生大量随机数能力的并行真随机数发生方法已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，以解决现有技术中存在的码率不足及可扩放性差的问题。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下。

一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，其所述方法步骤如下：

(1) 利用光学设备产生出具有超宽光谱F、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列；

(2) 利用阵列波导光栅对步骤(1)获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得N路独立无关、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列；

(3) 利用N段色散光纤对步骤(2)中产生的N路窄带超短脉冲序列进行时域上的展宽，得到脉宽较宽的窄带短脉冲序列；

(4) 利用N只高带宽光电转换设备将步骤(3)中产生的N路窄带短脉冲序列转换为电信号，进而进入N个高带宽电子模数转换器，通过设置电子模数转换器的比较阈值及同步时钟，将窄带脉冲序列的峰值功率起伏转换成相应的高、低电平，从而实现重复频率为f的N路独立真随机码产生。

在上述技术方案中，所述光学设备是由保偏光纤依次串接主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤构成；所述F的取值范围在1300~2000nm之间；所述f的取值范围在10 GHz ~ 60 GHz之间；所述N的取值范围在1000 ~ 10000之间。

实施本发明上述所提供的一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法，与在先并行随机数产生方法相比，其优点与积极效果在于：

第一，所产生的随机数序列不存在周期性，可提供无限数量的真随机数序列，克服了并行伪随机数发生技术固有周期性的局限。

第二，单路码率可达十 Gbps量级，并能同时输出至少N=1000路的独立、并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性至少提高了3~4个数量级，能极大满足了现代大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。

附图说明

图1是本发明具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法的流程图。

图2是实现本方法的并行真随机数发生器的结构示意图。

图中：1：主动锁模脉冲激光器；2：脉冲光放大器；3：高非线性色散位移光纤；4：反常色散光纤；5：阵列波导光栅；6：色散补偿光纤阵列；7：光电探测器阵列； 8：模数转换器阵列。

具体实施方式

下面结合附图与实施实例对本发明作进一步的描述，但该实施实例不应理解为对本发明的限制。

图1所示实施本发明上述所提供的一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数产生方法的流程图，具体产生方法步骤如下：

步骤一、利用主动锁模脉冲激光器输出脉宽约1.6 ps、重复频率10 GHz、波长为1550 nm的超短光脉冲序列，经脉冲光放大器作用后，其峰值功率被增大到2 kW；以该超短脉冲信号作为泵浦源经保偏光纤进入到一段长5 m、非线性系数为25/W/km高非线性色散位移光纤3（零色散点位于1550 nm处），受高非线性色散位移光纤3中自聚集、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等效应的共同作用，泵浦脉冲的光谱中会产生许多新的频率成分，使得输出脉冲序列的光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽，最终可产生光谱宽度达1.3 μm、重复频率f=10 GHz的超短光脉冲信号；由于噪声信号的存在，此时的超连续谱光脉冲信号峰值功率会有微弱起伏，但远不足以满足后续电子量化系统的要求；为了进一步增强上述超连续谱光脉冲峰值功率的起伏，这里引入一段长10 m的反常色散光纤，原始的光脉冲信号在反常色散光纤传输过程中，噪声驱动的调制不稳定性将发挥主导作用，致使光脉冲信号峰值功率的稳定性将大幅劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的随机起伏。这就实现了本发明的第一个步骤。具体到本实施例，所产生的超宽光谱超短脉冲序列的光谱宽度F=1300nm、重复频率f=10 GHz、脉宽约1ps、峰值功率大幅度随机起伏。

步骤二、利用通道间隔为1 nm、通道数1000路的阵列波导光栅对上述超短光脉冲序列进行光谱切割，分离出1000路的窄带超短脉冲序列。该序列遗传了第一步中所产生的超宽光谱脉冲序列的高重频及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之间相互独立。1000路的窄带超短脉冲序列相互之间完全独立的本质原因，在于超连续谱脉冲序列随机起伏起源于量子独立的激光自发辐射噪声且阵列波导光栅各个输出通道光谱上无重叠高重频、强度大幅度起伏的超连续谱熵源。这就实现了本发明的第二个步骤。具体到本实施例，此步骤产生的独立无关窄带超短脉冲序列的路数N=1000路；每路的重复频率f=10 GHz、脉宽为2±0.05 ps且峰值功率大幅度随机起伏。

步骤三、引入N=1000段相同长度的色散补偿光纤对上述步骤二中N=1000路的窄带超短光脉冲序列脉宽进行时域上的展宽，使其脉冲宽度达40 ps以上。本发明步骤三存在的原因是，本发明中的随机数提取过程在电域中进行的，步骤二中的窄带超短光脉冲序列脉宽过窄（仅几个ps），远远超出了后续处理流程中电子模数转换器器件的响应极限，必须进行时域展宽。

步骤四、利用由1000个相同的光电探测器并行构成光电探测器阵列对时域展宽后的N=1000路窄带子光脉冲序列实施光电转换，从而可得到相应的N=1000路电脉冲序列；接着通过N=1000路等长的电缆线进入到模数转换器阵列的N=1000个输入端（这里，模数转换器阵列由N=1000个、带宽均为10GHz的1位电子ADC构成），调节模数转换器阵列的比较阈值使其与脉冲序列的平均功率相等，同时在外加重频为f=10 GHz的同步电时钟信号触发下，可实现对上述每路电脉冲信号进行量化编码：当脉冲功率大于比较阈值时，输出高电平，编码为“1”；反之，输出低电平，编码为“0”。经此步骤，即可完成高质量并行真随机码的输出。具体到本实施例，所获独立真随机码的路数为N=1000路、码率f=10 GHz。

由以上论述可以看到，本发明的并行真随机数发生器单路码率由第一步中产生的超宽光谱超短脉冲序列的重复频率决定，同时受步骤四中模数转换器器件的响应速率制约。本实施例中，选用的超短脉冲的重复频率为10 GHz，主要是因为实施例中所选用的后续模数转换器阵列的响应带宽仅仅是10 GHz；如果采用更高响应频率的模数转换器，例如：目前模数转换器产品的最快可达60 GHz以上，则可以实现单路码率达60 Gbps的并行真随机码输出。第二，本发明所产生的并行真随机数的路数N由步骤二中阵列波导光栅的通道间隔和步骤一中超宽光谱超短脉冲序列的光谱宽度F联合决定。本实施例中步骤一所产生超短脉冲序列的光谱宽度F=1300 nm、步骤二中选用的阵列波导光栅的通道间隔为1 nm，因此，最大只能提取出N=1000多路的并行随机码（计算方法为1300 nm÷1nm = 1300）。事实上，当前阵列波导光栅的技术水平已经发展到通道间隔可以达到0.2 nm甚至更低的水平。因此，如果选用通道间隔为0.2 nm的阵列波导光栅，则至少可以产生N=6500路的并行随机码（计算方法为1300 nm÷0.2 nm = 6500）。此外，发明人在实验中发现，当继续增大步骤一中泵浦脉冲信号的功率至3 kW时，可进一步增大超连续谱的谱宽至2.0 μm。在这种情况下，如果步骤二中选用通道间隔为0.2 nm的阵列波导光栅，则可以获得的并行真随机码路上将进一步提高，实现N=10000路的并行真随机码输出（2000 nm÷0.2 nm = 10000）。

实现上述真随机数产生方法的并行真随机数产生器的直接构成关系如下：

如附图2所示，一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，该发生器是在一保偏光纤中，依次设置有主动锁模脉冲激光器1、脉冲光放大器2、高非线性色散位移光纤3和反常色散光纤4，构成一超连续谱熵源；

在一超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列输入到阵列波导光栅5被切割成N路窄带子光脉冲序列，再经N路保偏光纤进入到色散补偿光纤阵列6发生时域展宽，继而通过N路保偏光纤输入光电探测器阵列7被转换为相应的电脉冲序列，最后经N路电缆线进入模数转换器阵列8被量化成N路高速并行真随机码序列；

在上述发生器中，其阵列波导光栅5具有N个输出波长通道；其色散补偿光纤阵列6是由N段相同的色散补偿光纤并列构成；其光电探测器阵列7是由N个相同的光电探测器并列构成；其模数转换器阵列8是由N个相同的1位电子ADC并列构成。其中，其N的取值范围在1000 ~ 10000之间，N路独立的高速并行真随机码序列的码率均与超连续谱熵源输出脉冲的重复频率一致，取值范围在10 GHz ~ 60 GHz之间。