[发明专利]基于光学的量子随机数生成的方法和装置

说明书

本发明公开了基于光学的量子随机数生成的方法和装置。本发明涉及基于量子性质的光学过程生成随机数的方法和装置。根据一个示例性方面，该方法包括从光源随机发射光子以及由具有多个像素的光子传感器吸收发射的光子。此外，可以计算光子传感器的每个像素的各自的最小熵水平，并且随机性提取器可以基于所计算的该像素的最小熵水平与每个像素相关联。在该校准之后，该方法和装置生成用于生成随机数的多个高熵位。

技术领域

本发明涉及一种用于基于量子性质的光学过程的量子随机数生成的装置以及相应的方法，其中，该装置包括随机发射光子的光源，该装置和方法都能够获得高质量的随机数。

背景技术

总的来说，本发明的上下文是生成随机数。事实上，生成高质量的随机数对于例如加密协议(经典的和量子的)的许多应用的安全性是必要的。例如，常规的非对称密钥协议，如公知的DSA-算法、RSA-算法和Diffie-Hellman算法，使用进行素性检测的随机数来生成它们的密钥。另一个示例是无条件安全的一次性密码本协议，其需要长度等于待加密的数据的长度的完全随机数的字符串。该协议的主要限制是需要密钥交换。量子密钥分配提供了在远距离处产生两个安全密钥的方法，但是其实施也需要大量的随机数。所有这些示例反映了Kerckhoffs原理，Kerckhoffs原理可追溯到19世纪且并声称密码的安全性必须完全存在于密钥中。

因此，特别重要的是，在加密算法中使用的密钥是安全的，这在实践中需要随机选择密钥。在过去，随机数生成的薄弱已导致破坏大量系统和协议，例如由Arjen K.Lenstra、James P.Hughes、Maxime Augier、Joppe W.Bos、Thorsten 5Kleinjung和ChristopheWachter在他们的文章“Ron was Wrong,Whit is Right”(发表于Cryptology ePrintArchive，2012)中所报道的。这样的破坏涉及多种领域：例如，操作系统安全性，参见LeoDorrendorf、Zvi Gutterman和Benny Pinkas在文章“Cryptanalysis of the RandomNumber Generator of the Windows Operating System”(发表于ACMTrans.Inf.Syst.Secur.,13(1):1-32,2009)；通信协议，参见Luciano Bello的文章“Openssl—Predictable Random Number Generator”(发表于Debian security advisory1571-1,2008)；数字版权管理，参见Bushing、Marcan、Segher和Sven在2010年第27届混沌通信大会上发表的出版物“Ps3 Epic Fail”；和金融系统，参见Richard Chirgwin的文章“Android Bug Batters Bitcoin Wallets”(发表于The Register,2013)。因此，生成随机数当前不仅涉及国防问题，如Kerckhoffs的研究最初针对的问题，而且影响许多其他领域，如通常的计算机科技、经济、彩票和游戏，以及基于使用随机数的协议存储或加密的机构数据或个人的个人数据的隐私问题。

然而，高质量的随机数难以产生，特别是它们不能由例如计算机程序的确定性算法生成。事实上，现有的基于算法的拟随机数发生器可以有利地用于模拟目的，但是不适用于密码术，因为所得到的拟随机数原则上是可再现的。为了确保所生成的位串的唯一性和重要的随机性，需要物理随机数发生器，例如C.H.Vincent在文章“The Generation ofTruly Random Binary Numbers”(Journal of Physics E:Scientific Instruments,3(8):594,1970)中或者Y.Saitoh、J.Hori和T.Kiryu的文章“Generation of PhysicalRandom Number Using Frequency Modulated LC Oscillation Circuit with ShotNoise”(Electron Comm.Jpn.3,88(5):12-19,2005)中所解释的。