[实用新型]一种源无关量子随机数发生器

说明书

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，特别涉及一种源无关量子随机数发生器。

背景技术

现如今量子保密通信技术在数据传输安全方面有着明显的优势，并已经逐渐实用化。其中随机数的使用保证了在很多领域内的安全通信，这也引起科学家们的广泛关注。在密码学中，安全的随机数输入是安全通信的基础，根据定义，计算机方式产生的随机数是伪随机数，强大的远程相关性存在潜在破坏加密通信安全的危险，为解决这一问题，近年来科学家们致力于量子随机数发生器的研究，并制作方案陆续提出，并已逐渐商业化。

但量子随机数发生器也会存在安全漏洞，通常理想情况下认为源是理想单光子源，但若源出现故障或源所发的量子信号被经典信号代替，那么最终输出的随机数将不再是真随机数。为解决上述问题，申请号为201410449817.7的中国专利申请提出一个可以允许信号高衰减的源无关的量子随机数发生器方案，可以在不相信源的情况下产生真随机数。该源无关量子随机数的产生方法，接收端接收源发出的光子信号转化为等价的单光子信号，对单光子信号进行X基矢或Z基矢调制并进行投影测量。根据Z基矢测量结果计算误码率，根据X基矢测量结果进行后处理后获得完全随机二进制串。

但根据X基矢测量结果获得完全随机二进制串成码率不高，而且计算以及模型设计复杂。

实用新型内容

本实用新型提供一种源无关量子随机数发生器，能够产生由量子力学保证的真随机数，针对现有技术问题改进了误码率计算模块与量子随机数生成模块的连接关系，并提供了有关发送端和接收端内部光路的改进。

一种源无关量子随机数发生器，包括相互匹配的发送端和接收端，所述接收端包括：

分束模块，接收来自发送端的光脉冲并分为两路输出；

Z基矢时间探测模块，用于接收分束模块的第一路输出进行Z基矢时间探测；

采集处理模块，用于采集所述Z基矢时间探测的结果并生成量子随机数；

干涉模块，用于接收分束模块的第二路输出，经干涉后输出；

X基矢相位探测模块，用于接收干涉模块的输出并进行X基矢相位探测；

误码检测模块，用于采集所述X基矢相位探测的结果并计算误码率。

本实用新型中对于源无关量子随机数发生器，不对源做任何假设(即源无关)，通过分束模块随机的改变测量基矢，可以根据Z基矢时间探测结果来获得部分随机二进制串，获取部分随机二进制串的最小熵，进行后处理以得到完全随机的二进制串(根据误码率的结果相应的扣除敌对方获取的部分，进而得到量子随机数)。

本实用新型中应用X基矢相位探测结果计算误码率进而衡量有多少密钥信息被他人获取。误码率为：探测响应错误的次数/测量的总次数。

在接收端进行Z基矢时间探测时，根据一测量就塌缩原理，光脉冲对的单光子(单光子处于光脉冲对的叠加状态)会塌缩到其中任一光脉冲中，这样根据所探测到时间前后来实现完全随机的二进制串的获取。由于光脉冲对中两个光脉冲的相位差恒定为0，进行X基矢相位探测时通过干涉可获得两路输出，除相位差为0的一路单独响应外，其他情况均可视为误码，因此通过简单的计数累加就可以计算误码率。

由于制备的光脉冲对相位差为0，因此在发送端可以基于普通激光器而不需要额外的相位调制设备，简化了系统并降低成本。当然在发送端本实用新型还提供了有关光源的其他改进方案。

当然若在发送端制备光脉冲对相位差不为0，但保持恒定，而在接收端利用相同原理进行探测可视为等同的变形，但很明显会增加成本和设备的复杂。所述发送端用于生成基于单光子的相位差为0的光脉冲对，具体包括：

单光子光源，用于发送单光子脉冲；

不等臂干涉仪，所述单光子脉冲经该不等臂干涉仪，生成所述光脉冲对。

由于需要制备光脉冲对，因此采用不等臂干涉仪的方式生成两列脉冲，其中一列经延时后与另一列叠加，关于不等臂干涉仪延时的时长一般满足：延时时长小于光源发出的光脉冲的周期时长。

可选的，所述不等臂干涉仪为不等臂马赫曾德干涉仪，或不等臂迈克尔逊干涉仪。

可选的，所述单光子光源为发射单光子脉冲的激光器，或包括发射多光子脉冲的激光机以及将所述多光子脉冲转换为单光子脉冲的衰减器。

在选用其他类型激光器时同理，根据具体情况选用衰减器，以获得单光子脉冲。

作为进一步的优选，发送端的不等臂马赫曾德干涉仪中，长臂以及短臂的输入、输出端通过分束器耦合，处在输出端一侧的分束器为保偏偏振分束器。