[发明专利]基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片及方法

说明书

基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片及方法,芯片内置光源，随机发射符合泊松分布的光子；采用CMOS像素阵列接收光源信号并转换成电信号，经过放大处理和模数转换以提取器从信号中提取出量子随机数。通过调整CMOS的采集速率、像素阵列数量以及其他参数，可以获得覆盖2Mbps到2Gbps速率区间的随机数输出，生成的随机数质量良好，方便的应用于多种场景，以满足不同需求。芯片典型尺寸小于5mm*5mm*2mm；价格便宜，功耗低，尤其适宜在物联网安全领域得到大规模的推广应用。

技术领域

本发明属于IPC分类G06F电数字数据处理技术领域，具体涉及随机数生成技术，尤其是基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片及方法。

背景技术

在统计学的不同技术中需要使用随机数，比如在从统计总体中抽取有代表性的样本的时候，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算的时候等等。随机数是专门的随机试验的结果。在统计学的不同技术中需要使用随机数，比如在从统计总体中抽取有代表性的样本的时候，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算的时候。随机数在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多的领域中有着广泛的应用。

产生随机数有多种不同的方法。这些方法被称为随机数发生器。随机数最重要的特性是：它所产生的后面的那个数与前面的那个数毫无关系。

随机数发生器一般分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器一般由算法产生，其生成的序列取决于算法和使用的初始值，所以其本质上并非真正的随机序列。真随机数发生器一般采用具有随机特性的物理过程作为信号源，通过提取这些信号然后经过一定的后处理得到随机序列。

量子物理过程是实现真随机数发生器的重要方法。已公开文献涉及基于单光子经过50：50光学分束器得到的空间路径、单光子到达时间、真空涨落等物理过程的量子随机数发生装置。但是，这些量子随机数发生装置结构比较复杂，而且，光学分束器难以做到精确的50：50的分光比，同时，分光比这一参数可能会受到波长等其他物理参数的影响，从而导致最终产生的随机数序列0、1不平衡，进而其他统计检测项的性能也将受到影响。此外，现有技术中的量子随机数发生器大多数采用单光子探测接收光信号，但因为其高昂的成本，导致最终产品的价格也是非常高，并且产品的体积也比较大，所以难以推广使用。

韩国SK推出一款超小型量子随机数生成器(QRNG)芯片原型，提升物联网安全性方面已经取得应用。该芯片远期目标实现外形尺寸不超过5平方毫米，但是到目前为止，QRNG芯片对于广泛普及采用来说尺寸太大，同时成本过高。

改进技术中，CMOS用于量子真随机数生成的相关技术方案正在受到关注。这一类量子随机数发生器产品结构简单、性能可靠、小尺寸、同时成本比较低廉。技术优势明显，但是相关公开文献较少。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，是计算机系统内一种重要的芯片，保存系统引导最基本的资料，和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。在计算机领域，CMOS常指保存计算机如日期、时间、启动设置等基本启动信息的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。

CMOS通常在三个领域普遍应用：一是用于计算机信息保存，CMOS作为可擦写芯片使用，系统故障时，进行CMOS放电操作，从而还原BIOS设置。二是在数字影像领域，常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。三是在更加专业的集成电路设计与制造领域。