[发明专利]一种源无关连续型量子随机数产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及信息科学量子通信中量子随机数领域，尤其涉及一种源无关连续型量子随机数产生方法及装置。

背景技术

随机数在密码学和安全通信中有着重要的作用，同时在模拟、博彩等等一系列场合也有着广泛应用。在量子通信中，尤其是量子密钥分发技术中，随机数同样有着至关重要的作用。理论上无条件安全的安全通信可以通过量子密钥分发技术配合“一次一密”方案来实现，然而量子密钥分发的核心就在于密钥的随机性，因此就需要理想的、完全随机的、足够长的随机数序列。

随机数序列的随机性真伪，很难从数学上给出一个严格确切的判据。目前常见区分随机数真伪的方式是通过一个由算法程序包所构成的统计检验，但事实上这种检验在有限次数下是不完备的，也不能考虑到所有的随机过程，所以这种检验方法作为随机数的检验标准，本身的随机性是不够好的。量子随机数发生器输出序列的真随机性，是通过量子力学基本原理得以保证的，然而统计检验包并不能足够好的去检验量子随机性。直到“设备无关随机数发生方案”出现，确保了量子随机数输出的随机性。

“设备无关”的概念是利用贝尔不等式检验随机数的随机性。这种方法的特点是通过输入和输出所满足的关系，直接可以检验输出序列的随机性，而不用考虑设备内部所固有的工作机制，也就是说，即使工作的设备在产生随机数的过程中是不被信任的，也可以产生随机性足够好的随机数。在此基础上出现了一系列的协议，这些协议的共同特点是，利用一段完全随机的初始序列，产生一段更长的输出序列，输出的随机序列和输入序列长度之间满足一定的关系。因为这个特点，这种产生随机数的方式也称为“随机性扩展”。然而，这种产生随机数的方法存在一个严重的缺陷，即需要一段完全随机的序列作为输入。事实上，一段完全随机的序列是极难产生和界定的，而以完全随机序列为输入，后来又被证明是限制扩展效率进一步提升的严重障碍。为了克服随机数扩展方案的这个缺陷，一种利用弱随机源产生随机数的研究方向应运而生，利用弱随机源产生随机数的特点是，它是将弱随机源中的随机性提取出来，而不是真正意义上的扩展随机性。这种产生随机数的方法也被称为“随机性放大”。因此，目前设备无关量子随机数发生器主要包括两个研究方向，即随机性扩展和随机性放大。

“设备无关”随机数产生方式的实际效率取决于实际进行无漏洞贝尔不等式检验实验的效率，现有技术虽可实现，但装置复杂，效率并不高。这启发人们对原始协议进行一定的修改，在提高协议效率的同时，仍尽可能地降低通信双方对可信设备的依赖，其中比较具有代表性的是“单边设备无关”协议。在“单边设备无关协议”中，随机数发生器的随机源与测量设备双方中某一方的设备可以不被信任，而另一方的设备是可信的，其对于可信设备的依赖要弱于“设备无关”随机数产生方案。通过这种方案，可以在保证在较高随机数产生速率的基础上，尽可能提高生成随机数的质量，可以说是介于“设备无关”量子随机数产生方式与普通量子随机数产生方式之间的一种相对高效、安全的随机数发生方案。

近年，在“单边设备无关”量子随机数发生器方面也有一些进展，其中比较典型的就是“源无关”量子随机数发生器，但是目前这种方案大都采用离散型随机源作为随机数发生器的随机源，例如：单光子源，同时需要外加额外种子随机源，才能进行“源无关”量子随机数的产生。

发明内容

本发明提出一种“源无关连续型”的量子随机数产生方法及装置，通过外差探测的方法可以同时对量子随机源的两个非对易力学量(发明中用X分量与P分量表示)进行测量，并根据对于P分量的测量，估算出其最大熵，进一步的通过熵不确定原理得到X分量的条件最小熵，在再根据条件最小熵对X分量的测量结果进行后处理，最终生成随机数序列。同时还提供了一种源无关连续型量子随机数发生装置。

本发明通过外差探测的方法同时对物理随机源的X分量与P分量进行测量，不需要额外提供随机源。对于随机源中的一个分量的测量产生初始随机数序列，同时对另一个正交分量进行测量生成检验序列来估计该最大熵，并通过熵不确定原理计算初始随机序列的条件最小熵，通过后处理完成对于初始随机数的随机性提取，生成最终的随机数序列。

本发明的目的之一在于提供一种源无关连续型量子随机数产生方法，包括以下步骤：

1)对连续型物理随机源进行外差探测，得到连续型物理随机源的两个非対易力学量测量结果，即光场的两个分量，所述两个分量分别表示光场的广义正则坐标与正则动量；