[发明专利]利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置

说明书

一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法是将两束波长不同的脉冲光与连续光经过高非线性光纤，在高非线性光纤中产生简并四波混频效应生成相位具有量子随机性的信号光。生成的信号光分成强度相等的两路，其中一路光经延迟后与另一路光干涉，输出信号的强度将会在“0”和“1”状态中随机出现，从而实时获得免量化的全光高速量子随机码。本发明所述的装置包括锁模脉冲激光器、窄线宽激光器、高非线性光纤、滤波器、光延迟线及光纤耦合器。所述的锁模脉冲激光器与窄线宽激光器的中心波长不相等。本发明所产生随机数的方法完全在光域内进行，可突破电子瓶颈限制，无需光量化技术，实时产生全光高速量子随机码。

技术领域

本发明涉及全光物理随机数，具体为一种免量化的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置，可用于统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域。

背景技术

随机数在统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域中都有着重要的应用。特别是随着光纤通信技术的迅速发展，目前单信道的传输速率已达到40Gbps，下一代光纤通信网络单信道的传输速率将达到100Gps，因此产生高速随机数是保密通信技术发展的必要条件。随机数是由随机数发生器产生的，随机数发生器大致可以分为三类：伪随机数发生器、基于经典物理的物理随机数发生器及基于量子物理的量子随机数发生器。伪随机数通常是由一个种子按照一定的算法利用计算机便捷地生成高速的随机数，在现代保密通信系统中被广泛地用作密钥。但伪随机数存在两个致命的缺点：1)一旦算法与种子被破解，则密钥不仅可以复制、甚至可以预测，2)产生的随机序列存在周期性，严重破坏了保密通信的安全程度。经典物理随机数发生器是把自然界属于经典物理学的模拟随机信号作为物理熵源，通过非线性变换得到离散的二进制随机数。物理熵源的选取有很多种，比如：电路或电子器件的热噪声、散粒噪声，振荡器的频率不稳定性，电混沌等；这些方法受物理熵源带宽的限制，产生的随机数的速率一般在数十MHz一下。2007年6月，申请人所在课题组提出利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光(通常带宽为数GHz)代替混沌电路作为产生随机数的物理熵源，可构造快速随机数发生器的思想，随后引起世界各国研究小组的关注。量子随机数发生器依据量子力学的概率性本质设计，保证了随机序列的不可预测和不可再生性；遗憾的是大部分物理随机数与量子随机数的产生方案均要在电域中进行，要将光信号先通过单光子探测器或高速光电探测器转换为电信号，再借用成熟的电路技术进行后处理获得随机数。受电子器件带宽限制，很难产生更高速率的随机数，以满足大容量光通信的需要。美国斯坦福大学、哥伦比亚大学的学者提出在光域内基于参量振荡器的简并四波混频效应产生全光量子随机数的方案，分别得到速率为20kbps和2Mbps的随机数。但是，产生随机数的速率受泵浦光重复频率和谐振腔寿命及长度的制约，限制随机数速率的提高。

发明内容

本发明为解决目前生成随机数速率不高的技术问题，提供一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法及装置。

本发明所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法是采用以下技术方案实现的：一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生方法，将波长不同的一束脉冲光及一束连续光作为泵浦光入射到高非线性光纤中发生简并四波混频效应，生成相对于泵浦光的相位差随机为0或π的信号光；将信号光均分成两路，一路经历光延迟后和另一路干涉，两路信号光之间的延迟时间等于脉冲光时间间隔的整数倍；根据干涉原理，发生干涉后输出信号的强度只会随机出现两种状态：光强较弱的“0”状态，光强较大的“1”状态，最终产生全光高速量子随机数。

本发明所述的利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置是采用以下技术方案实现的(如图1所示)：一种利用四波混频效应实现全光量子随机数产生装置，包括中心波长不相同的单波长的锁模脉冲激光源和单波长的连续激光源，所述的单波长的锁模脉冲激光源与连单波长的续激光源的出射端连接第一光纤耦合器，所述的第一光纤耦合器的出射端顺次连接高非线性光纤、可调谐滤波器和第二光纤耦合器；第二光纤耦合器的一个出射端连接干涉装置，干涉装置输出端输出免量化的全光高速随机数。