[发明专利]基于光子数可分辨探测的真随机数发生器

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：