[发明专利]一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法

说明书

本发明提供了一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，采用量子遂穿发生源产生原始随机序列，待量子遂穿发生源的遂穿概率稳定后，采用托普利兹‑哈希Toeplitz‑hashing方法对遂穿概率稳定后产生的原始随机序列进行降噪处理，得到最终的真随机数序列。本发明产生的随机数序列的元素之间相互独立，意味着随机数序列的有很好的随机性很好；同时，实现该方法的系统简单，成本低廉。

技术领域

本发明涉及量子隧穿技术领域，具体涉及一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法。

背景技术

人类已经进入信息时代，保密通信和信息安全已然成为人们越来越关注的问题。无论是经典保密通信还是量子通信，随机序列的随机性决定了整个信息系统的安全,如果采用的随机数序列被人破解,密码系统就会被轻易攻破。我们希望达到的目标是，即使破译者拥有无限的计算能力，并且已知所有产生的序列，也不能预测系统下一个将要产生的随机数，这样的序列称为真随机数序列。就现在的认知而言，只有利用量子世界本质的非确定性，才能设计实现真随机数发生器，因而对量子随机数发生器的研究非常必要。

量子随机数发生器的结构如图1所示，由物理部分和数学部分两大部分组成。物理部分主要是选择合适的量子随机源，并以相应的数据采集手段对其随机信息进行提取。数学部分是指对采集的数据进行后处理得到最后的真随机数序列。

目前量子随机数发生器的方案主要在光学系统中实现，存在系统复杂，成本和能耗高的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，能够在无需光源的情况下，就可以产生真随机信息。

一种基于量子隧穿效应的真随机数序列产生方法，采用量子遂穿发生源产生原始随机序列，待量子遂穿发生源的遂穿概率稳定后，采用托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法对遂穿概率稳定后产生的原始随机序列进行降噪处理，得到最终的真随机数序列。

较佳的，所述量子遂穿发生源采用单光子探测器，则采用该单光子探测器产生原始随机序列的方法包括如下步骤：

(1)将单光子探测器置于温度稳定的环境中，并保证其无光源引入；

(2)将单光子探测器开启，等待其制冷到-55℃；

(3)设置单光子探测器采样频率，使采样频率的范围为5MHz-50MHz，延迟设置为0s，脉冲宽度设置为100ns，死时间设置为0s，计数时间设置为1s，随后开启计数功能；

(4)调节偏压，使遂穿概率达到稳定值，则此时向外输出原始随机序列。

较佳的，所述单光子探测器的型号为SPD4。

较佳的，采用示波器、逻辑分析仪或者FPGA从单光子探测器采集所述原始随机序列，并输出至上位机进行降噪处理。

较佳的，托普利兹-哈希Toeplitz-hashing方法具体为：

(1)计算长度为n的原始随机序列的最小熵k，以给定的安全参数ε，决定输出长度m，m＝k-2log₂ε，其中，X表示随机变量，v为原始随机序列中的元素；Prob表示求概率；

(2)用一个长度为n+m-1的随机序列种子构建托普利兹Toeplitz矩阵；

(3)将原始随机序列与Toeplitz矩阵相乘，则得到最后的真随机序列。

较佳的，所述遂穿效率取为50％。

较佳的，隧穿发生源选用InGaAs-SPD或Si-SPD。

本发明具有如下有益效果：