[发明专利]改进的随机数发生器,特别是改进的真随机数发生器有效

专利信息
申请号: 201780061204.8 申请日: 2017-10-20
公开(公告)号: CN109804348B 公开(公告)日: 2023-07-25
发明(设计)人: N·马萨里;F·阿克比;G·丰塔纳;D·斯托帕;N·佐齐;L·帕韦西;M·萨拉;A·迈尼盖蒂;L·加斯帕里尼;Z·比萨迪;A·托马西;G·普科;C·皮埃蒙特 申请(专利权)人: 特伦蒂诺发展公司
主分类号: G06F7/58 分类号: G06F7/58;H04L9/08
代理公司: 上海专利商标事务所有限公司 31100 代理人: 蔡悦;陈斌
地址: 意大利*** 国省代码: 暂无信息
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摘要:
搜索关键词: 改进 随机数 发生器 特别是
【说明书】:

发明是一种随机数发生器(1),该随机数发生器(1)包括光子源(2)、被配置成检测属于由光子源(2)生成的供检测光子流(λ)的至少一个光子的一个或多个光子检测器(31)、与光子检测器(31)可操作地相关联并被配置成基于供检测光子(λ)中的每一者的到达时间来实现用于提取二进制序列的逻辑方法的电子采样装置(4)。在随机数发生器(1)中,光子源(2)和光子检测器(31)彼此毗邻并被集成在单个半导体衬底(5)中。

描述

本发明涉及随机数发生器(RNG),特别是改进型的真随机数发生器(TRNG)。

已知随机数发生器目前用于许多应用中,范围从科学领域到加密领域。

在第一种情形中,典型的示例是计算科学中的随机数发生器,其要求生成用作模拟的初始状态的描述的一定数目的随机初始状态。

这种类型的应用一般要求初始配置彼此不严格相关,但是可以以确定的方式再现,以便使得验证例如变化对执行各模拟的代码的影响成为可能。出于这个原因,所述序列被更正确地定义为伪随机数(PRN),因为它们通过始自初始值的复杂算法来定义。换言之,给定一个初始随机数(在技术术语中被称为“种子”),无论一个公式多么复杂,其将总会重现同一随机数序列。相应的发生器被称为伪随机数发生器(PRNG)。

相反,在第二种情形中,意味着当在用于执行例如银行操作的密码技术中使用随机数时,上述办法看起来很弱,因为必须确保所生成的序列是绝对不可预测的,以便能够保证高度敏感信息的安全。在这种情形下,最安全的办法涉及生成从生成过程获得的随机数,该生成过程必须真正是随机过程,并且不能允许以任何方式预测要生成的序列。事实上,这些发生器被称为真随机数发生器(TRNG)。特别地,量子机制(诸如例如由光源生成光子)是用于获得所述真随机数序列的最多经研究的方法之一,并且基于所测量事件的不确定性,该不确定性是量子系统本身的属性之一。

从信息理论的角度来看,通过以上所提及的两种技术生成的随机数的不可预测性水平可以通过被定义为“熵”的参数来表示,该参数“熵”事实上被称为存在于随机变量中的信息的不确定性的度量。

此外,重要的是强调美国国家标准与技术研究院(NIST)通过其NIST SP800-22指令指定了大约15个统计测试,这些测试使得确定给定的随机数发生器是否具有足够的熵水平成为可能。

如已提及的,将PRNG用于与密码学相关的目的是危险的,不仅因为某些算法存在仅在其引入之后的一段时间内潜在地变得明显的缺陷,而且因为如果一个恶意的人能恢复生成所有随机序列的种子,则他/她能够基于具有绝对确定性的同一种子来预测所有后续输出。

因此,考虑到这些事件的固有不可预测性,基于物理现象特别是基于量子现象的解决方案是更加优选的,甚至对于完全了解所使用的算法并且具有供其支配的高计算能力的主体而言也是更加优选的。然而,虽然可以选择用于生成伪随机数的算法来创建具有以绝对确定性确定的某些统计属性的序列,但实际上,从它们的确定性质来看,始自物理现象所获得的随机数受制于由于例如仪器生产质量、电源波动、环境因素(诸如外部场和温度变化)变化导致的实际限制。通常,与理想情形的这些偏差确定了与均匀统计分布的偏差,该均匀统计分布独立于可在样本空间中测量的事件。因此,甚至可以观察到所述真随机数发生器的熵水平的降低。

为了避免这个缺点,所述真随机数发生器需要进一步的步骤(被称为后处理),该步骤在始自特定物理现象的随机码序列的提取的下游被执行。事实上,该后处理步骤使得改进随机码序列的概率分布的均匀性成为可能。然而,不利的是所述后处理步骤影响了发生器能够保证的比特率。

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