[发明专利]基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无偏的高速量子随机数产生技术，尤其涉及一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器。

背景技术

随机数发生器是用来产生一个二进制序列随机数的一种器件。当前，随机数在信息技术领域比如量子通信、密码学、身份认证、数字加密、密钥产生等，在仿真计算领域比如蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等，甚至在博彩业以及很多其他领域都有着广泛而重要的应用。

根据随机数特性的不同，通常随机数发生器可分为三类：伪随机数发生器、准随机数发生器和真随机数发生器。一般来说，伪随机数是使用一个确定性的数学算法计算出来的随机序列，这种随机数最大的优点是它们的计算不需要外部特殊硬件的支持，所以实际上伪随机数并不随机而且也不可能完全随机。如果计算伪随机数时的初始值(种子)不变的话，那么伪随机数的序列也不变。在一些对随机性要求不是特别苛刻的应用领域中比如数值计算、计算机科学等，只要伪随机数能够通过随机数的一系列统计检验，这种由周期性随机函数所生成的伪随机数序列仍然可以使用。相比较而言，准随机数序列的随机特性没有伪随机数序列好，但是其均匀分布特性要远远好于伪随机数序列，这在一些特殊应用比如蒙特卡洛模拟中非常重要。

而真随机数序列应该具备下列的特点：1、不可预测性。即序列中的下一个随机数完全不依赖于序列的历史，其值也不可能被精确地预测出来。2、不可重现性。随机数序列不具有周期性，所以一个足够长的真随机数序列是不可能重复出现的。3、无偏性。即在一个足够长的真随机数序列中，“0”和“1”的比例应该是无限趋向于50:50。

真随机数序列是不可能通过数学公式或者算法获得的，只能是从物理系统的随机过程中产生，比如电子学噪声、放射性衰变、宇宙射线、量子物理系统等等。在所有产生真随机数的典型物理系统中，基于量子物理基本原理的量子随机数发生器的随机特性是客观的、明确的，特别适合于量子通信系统。此外，量子通信系统中随机数的安全性也是非常重要的，采用量子随机数发生器系统与量子通信系统无缝衔接，将会有效解决实用化量子通信系统安全性问题。

现有技术中，已经出现了基于单光子路径方案的低速量子随机数发生器商业化产品，比如瑞士IDQ公司的产品Quantis，但生成的比特率仅4Mbps。对于一个高速量子通信系统，如果时钟工作频率为1GHz，那么在发射端则需要250个这种商业化的量子随机数发生器，这无疑是不可接受的，在实际中也几乎是无法实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数，能把最终比特率提升到大于100Mbps的水平。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器的原理框图；

图2是本发明中单光子探测信号到达时间的概率分布示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于光子到达时间的无偏高速量子随机数发生器，其较佳的具体实施方式是：

包括激光二极管，所述激光二极管的输出端与光衰减器相连，所述光衰减器的输出端与单光子探测器相连，所述单光子探测器的输出端与时间测量系统的一个输入端相连，周期性外部时间参考与时间测量系统的另外一个输入端相连，所述时间测量系统的输出端与数据后处理系统相连，所述数据后处理系统输出最终的量子随机数。

所述时间测量系统接收所述单光子探测器的探测信号与周期性外部时间参考的时间差，并由此生成均匀分布的原始随机数数据。