[发明专利]一种超快全光真随机数产生装置

说明书

技术领域

本发明一种超快全光真随机数产生装置，属于信息技术领域，它是一种产生超高码率真随机数序列的装置，主要应用在保密通信及大规模并行计算中，用来快速产生安全可靠的真随机数或密钥。

背景技术

随机数在Monte Carlo模拟、统计抽样、人工神经网络等科学计算方面有着广泛的应用。尤其在保密通信领域，产生安全可靠的随机数，又称为密钥，关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就保证了所传输信息的安全。根据香农的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足以下条件：（1）密钥长度不短于明文长度；（2）密钥是完全随机的；（3）密钥不能重复使用。这就要求产生大量码率不低于通信速率的真随机数。

在现有技术中，一般利用带宽光子源作为物理熵源，通过光电探测器将其发射的随机信号转换为电信号，利用电子模数转换器进行采样及量化后，最终产生高速真随机码。常用的宽带光子源包括：单光子、ASE自发辐射噪声、真空态以及混沌激光等。截至目前，申请人所在课题组利用激光混沌作构建的真随机数发生器是当前国际上的实时速率最快的真随机数产生装置，其速率可达4.5 Gbps [Opt. Express, 21(17): 20452-20462,2013]。要获取更高速率的真随机数，将需选用超高速的电ADC进行量化编码，这势必面临“电子速率瓶颈”的限制。如，目前响应带宽最高的电ADC当属日本富士通公司的CHAIS ADC，其带宽可达15 GHz，已几乎接近电子带宽理论极限。这些都意味着，利用上述传统技术构建的真随机数产生装置，技术上可实现的最快速率只能处于几十个GHz量级。

 但是，现代高速通信已经发展到了密集波分复用阶段。密集波分复用系统的应用使得当前信号传输速率可达1 Tbps量级。这就迫切需要发展与之相匹配的码率处于Tbps量级的真随机数产生装置，以确保信息传输的绝对安全。当前的真随机数产生技术距此码率仍有相当距离，远不足以保证现代通信的绝对安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快全光真随机数产生装置，以解决上述现有技术中普遍存在的码率不足等问题，从而公开一种可产生超高码率真随机数序列的技术方案，该装置适用于现代保密通信及大规模并行计算等领域。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种超快全光真随机数产生装置，其特征在于：

在一保偏光纤中依次设置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，构成超连续谱熵源；

所述超连续谱熵源输出的脉冲序列经阵列波导光栅被切割产生出N路窄带子光脉冲序列，后进入光衰减器阵列中进行调节，后经N路光纤与连续光激光器输出的N路连续光信号同时进入全光比较器阵列量化成N路高速真随机脉冲序列，并由光滤波器阵列滤出，再经N路光纤进入光纤延迟线阵列作用，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进入N×1光耦合器中时分复用，形成码率为N×f的超快全光真随机数序列。

进一步的技术特征如下。

所述超连续谱熵源的脉冲序列的重复频率f = 10 GHz。

所述阵列波导光栅是由N个输出波长通道构成。

所述光衰减器阵列是由N个光衰减器并列构成。

所述全光比较器阵列是由N个相同的全光比较器并列构成。

所述光滤波器阵列是由N个相同的光滤波器并列构成。

所述N的取值是100。

实现本发明上述所提供的一种超快全光真随机数产生装置，与在先随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于：

第一，本发明首次采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率可达Tbps量级，比现有真随机数产生技术的速率高了3个数量级，满足了现代高速保密通信的安全需要。

第二，本发明的真随机数产生装置中不包含采样模块，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题；

第三，本发明的真随机数产生装置的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了“电子瓶颈”的限制；