[发明专利]源无关量子随机数的产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及随机数测量技术领域，特别涉及一种源无关量子随机数的产生方法及装置。

背景技术

在现代信息社会中，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，伪随机实际上只是“看起来像”随机数，也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出他们的不同。但是从本质上它们的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。

根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上有保证。

根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，比如利用单光子探测，量子非局域性和真空态的统计涨落都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantique system，已经进入市场。但是值得指出的是，这些量子随机数产生器都不可避免地依赖于对模型的假设，以及对设备装置完美的要求。

在众多量子随机数产生器中，单光子探测的方法是最简单的。它主要包括两个部分，源和测量装置。在单光子探测量子随机数产生器中，源向探测器发出Z基矢的态，探测器紧接着使用X基矢进行测量。如前所述，根据量子力学的基本原理，探测器得到的结果为真随机数。但是如果源不包含随机性(如源发出X基矢的态)，那么测量得到的结果只能是一个固定的串，不包含任何的随机性。因此，在单光子探测随机数产生器中，源的随机性很关键。

然而在实际应用中，很难在实际中保证源包含足够的量子随机性，由此产生的随机数也没有得到保障。目前，主要是采用将已知源直接进行量子测量的方法，来产生由量子力学原理保障的真随机数，具体有下面两种方法：

方法一：如ID-Quantique随机数发生器的白皮书所述，发光二极管向半透半反的镜子发射单光子，并由两个单光子探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单光子会透射还是反射本质上是一个量子效应，因而得到真随机数。

方法二：如申请人之一之前发表的科研论文中所述，低亮度的激光中的相位涨落通过PLC-MZI后转化为光强涨落，继而由光强探测器测出光强并使用ADC将其转成8位的二进制串。在当激光足够弱时，量子相位涨落远多于经典涨落，因此可以产生真随机数。

上述的方法一和方法二中，都需要对源进行假设。其中方法一中需要假设源是单光子源，方法二中需要假设激光的相位涨落的确是量子的，并多于经典涨落，也即是对源的假设。而这些对源的假设在实际中无法验证，从而可能造成产生的随机数的随机性有很大漏洞。而且即使这些假设成立，也很难在实际中保证源包含足够的量子随机性，由此产生的随机数也没有得到保障。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种源无关量子随机数的产生方法，该方法无需依赖对源的假设，能够产生由量子力学保证的真随机数，并且该方法能够容忍高信道损失，具有很高的实用价值。

本发明的另一个目的在于提供一种源无关量子随机数的产生装置。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种源无关量子随机数的产生方法，包括以下步骤：接收端接收源发射的光子信号，并将所述光子信号中包含的多光子信号转化为等价的单光子信号；对所述单光子信号进行X基矢或Z基矢调制，并对所述X基矢或Z基矢进行投影测量；根据所述Z基矢的测量结果计算所述源的错误率；根据所述X基矢的测量结果得到部分随机的二进制串；获取所述部分随机的二进制串的最小熵，并进行后处理以得到完全随机的二进制串。

根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生方法，不对源做任何假设(即源无关)，并采用随机改变基矢的测量仪器来取代原始固定基矢的测量仪器，从而在获取随机数的同时保证了源的正确性。另外，该方法还可以容忍高的信道损失，具有很高的实用价值。

另外，根据本发明上述实施例的源无关量子随机数的产生方法还可以具有如下附加的技术特征：