[发明专利]量子图像传感器量子随机数生成

说明书

一些实施例提供了用于基于单比特或多比特量子图像传感器(QIS)的量子随机数生成的方法和装置，该QIS在时间间隔内针对QIS的像素阵列的每个像素提供单光子计数，其中基于在该时间间隔内针对每个像素计数的光子数生成随机数数据。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月5日提交的美国临时申请No.62/332,077的权益，其通过引用整体并入本文，以用于每个PCT成员国和地区的目的，其中，这样通过引用的并入被许可或以其他方式不被禁止。

技术领域

本公开一般涉及随机数生成(RNGn)，使用光检测器的随机数生成，并且更具体地，涉及基于高随机、非确定性的基于光子激射的随机数生成。

背景技术

生成高质量的随机数对于诸如密码学、科学计算(蒙特卡罗数值模拟)和投机的若干应用变得越来越重要。随着计算机使用领域的扩展和电子通信网络的快速发展，这类应用的数量迅速增长。例如，密码学是最迫切需要的应用之一。这涉及用于确保通信的保密性、真实性和完整性的算法和协议，它们需要真随机数来生成加密。然而，使用确定性算法(例如，伪随机数发生器(PRNG))不能获得高质量的随机数；相反，可以依赖实际的物理过程来生成高质量的随机数。最可靠的过程是根本上随机的量子物理过程。实际上，亚原子粒子在量子水平上的行为的内在随机性是自然界中为数不多的完全随机过程之一。通过将随机数发生器(RNG)的结果与量子粒子的随机行为联系起来，可以保证真正无偏且不可预测的系统，其可以被称为量子随机数发生器(QRNG)。

光子激射是泊松过程，并且已经被用作RNGn中的随机源。在先前基于光子激射的RNGn技术中使用的光子探测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)和传统的CMOS图像传感器(CIS)。SPAD可以提供单光子检测能力并基于光子量子效应实现QRNGn，但是相对大的尺寸(例如，SPAD阵列中的7-20μm像素间距)限制了每单位面积尺寸的数据输出速率。而且，SPAD中的高暗计数率(例如，-1000计数/秒)降低了随机性质量。传统的CIS受到读出电子器件中相对高的噪声基底(例如，＞1e-r.m.s.)的限制，并且不具有单光子检测能力。在这种情况下，光子信号明显被读噪声破坏，并且由于读噪声也是随机分布的，使用传统CIS的RNGn过程不是完全基于量子效应的，因此限制了输出的随机性质量和稳定性。

因此，需要对QRNG进一步研究和改进，以例如提供更充分地利用和/或实现基于量子的随机性的QRNG。并且，这样的研究和改进可以增大光子计数精度、降低噪声、减少暗电流、增大输出数据速率和/或增大可扩展性。

发明内容

为了例如解决QRNG的上述和/或其他限制中的至少一个或多个，本公开的一些实施例提供了用于基于单比特或多比特量子图像传感器(QIS)的量子随机数生成的方法和装置，所述QIS提供在时间间隔内针对QIS的像素阵列的每个像素的的单光子计数，其中基于针对每个像素在该时间间隔内计数的光子数生成随机数数据。

在一些实施例中，QRNG包括：(i)QIS，所述QIS包括像素阵列，其中每个像素被配置为将入射在所述像素上的单个光子转换为存储在所述像素中的单个光电荷载流子(电子或空穴)，并且其中所述QIS被配置为以单个光电荷载流子灵敏度(从而，提供单光子灵敏度)从每个像素读出光电荷载流子(如果在时间间隔内有光电荷载流子存储在该像素中)，以便生成与所存储的光电荷载流子的数量相对应的像素信号(例如，模拟电压信号或数字数/信号)；以及(ii)比较电路，被配置为针对每个像素将像素信号与阈值电平进行比较(例如，在模拟或数字域中)，以便针对每个像素生成具有二进制值的比特，所述二进制值取决于像素信号是小于阈值电平还是不小于阈值电平，其中所述二进制值基于阈值电平基本上是等概率的，从而提供具有高质量随机性的二进制输出数据(例如，比特熵约为1)。

比较电路的全部或部分可以与QIS的像素阵列单片集成；在一些实施例中，QIS读出电路可以包含或包括比较电路。