[发明专利]基于激光相位波动的超高速量子随机数发生器和发生方法

说明书

技术领域

本发明涉及超高速的量子随机数产生技术，具体涉及基于激光相位波动的超高速量子随机数发器。

背景技术

随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等都有着广泛而重要的应用。

根据随机数的特性，随机数可以分为两类：伪随机数和真随机数。伪随机数通常由基于某特定初值的算法产生，对于确定的算法和对算法赋予的初值，其随机数序列是确定的，所以本质上并非真正的随机数序列。因此无法用于某些对于安全性要求较高的领域。

真随机数通常具有以下三个特征：不可预测性、不可重复性、无偏性。真随机数发生器通常需要基于真实的具有自然随机性的物理系统，而物理系统又可以分为经典的与量子的。基于量子物理系统的量子随机数发生器，其随机性来源清晰、客观、安全，特别适合对于随机性要求较高的应用场景，是近年来的发展方向。

现有的量子随机数发生器方案中，基于单光子路径选择的方案，其比特率达为1Mbps量级，而基于光子到达时间的方案，其比特率达到了100Mbps量级。对于下一代高速量子通信系统，需要的随机数达到10Gbps以上，这就需要新的技术方案来满足对比特率的需求。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种基于激光相位波动的超高速量子随机数发器，包括激光光源、双光束干涉仪、相位控制系统、光电探测器和模数转换器，其中，

所述激光光源用于将激光束输出到所述双光束干涉仪中，

所述双光束干涉仪用于使输入的激光束发生双光束干涉，并将发生干涉的光束分成两束光束输出，其中一束光束输出到相位控制系统，另一束光束输出到光电探测器；

所述相位控制系统包括设置在所述双光束干涉仪的其中一个干涉光路上的压控移相器，所述相位控制系统用于根据输入的光束调节所述压控移相器的电压，从而使双光束干涉仪的两个干涉光路上的光束的相位差保持在预定值；

所述模数转换器用于将所述光电探测器输出的信号转换为数字信号，根据所述数字信号生成原始随机数序列。

进一步地，所述双光束干涉仪还包括分束器、第一反射镜和第二反射镜，

所述分束器包括设置在输入侧的第一端口B1、第二端口B2和设置在输出侧的第三端口B3、第四端口B4；

所述分束器用于将输入到所述第二端口B2的光束分成两束，分别从所述第三端口B3和第四端口B4输出，所述分束器还用于使所述第三端口B3和第四端口B4返回的光束发生干涉后分成两束光束，其中一束光束从所述第一端口B1输出到所述相位控制系统，另一束光束从所述第二端口B2输出到所述光电探测器。

进一步地，所述双光束干涉仪还包括环形器，所述环形器的输入端C1用于接收激光光源输出的激光束；

所述环形器的收发复用端C2用于将输入端C1接收的激光束输出到所述第二端口B2，所述环形器21的收发复用端C2还用于将从所述第二端口B2输出的光束输出到环形器21的输出端C3，

所述环形器的输出端C3用于将输入的光束输出到所述光电探测器。

进一步地，所述相位控制系统还包括依次连接的光功率计、PID控制器和压电控制器，所述光功率计的输入端用于接收所述第一端口B1输出的光束，所述压电控制器的输出端与所述压控移相器的控制端连接。

优选地，所述环形器的输入端C1与激光光源的输出端采用光纤耦接，所述环形器的收发复用端C2与所述第二端口B2采用光纤耦接，所述环形器的输出端C3与所述光电探测器的输入端采用光纤耦接；

所述第一端口B1与所述相位控制系统的输入端采用光纤耦接。

所述第四端口B4、压控移相器和第一反射镜形成所述第一干涉光路，所述第三端口B3和第一反射镜形成所述第二干涉光路；

所述环形器的输入端C1与激光光源的输出端连接，所述环形器的收发复用端C2与所述第二端口B2连接，所述环形器的输出端C3与所述光电探测器的输入端连接；

所述第一端口B1与所述相位控制系统的输入端采用光纤耦接。

进一步地，，所述光功率计的输入端与所述第一端口B1连接。

优选地，所述分束器的分光比为50:50。

进一步地，所述第一干涉光路和第二干涉光路的相位差的预定值为(2mπ+π/2)，其中m为整数。

优选地，所述激光光源为连续激光光源。

优选地，所述双光束干涉仪的各组件之间均为光纤连接。