[实用新型]源无关高维时间编码的量子随机数发生器

说明书

本实用新型公开了一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，包括相互匹配的发送模块和接收模块，所述发送模块采用高维时间编码方式输出编码后光脉冲组，所述接收模块接收所述编码后光脉冲组分别进行X基矢和Z基矢测量，再经后处理获得相应的量子随机数。本实用新型量子随机数发生器，采用高维编码的方式提升源无关随机数发生器的输出速率。

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器。

背景技术

随机数作为一种资源，在许多领域内都具有重要作用。科学模拟计算，密钥系统，身份认证等均离不开随机数。尤其是在安全相关的领域内，随机性是系统安全性的根基，真随机数的采用将明显提升系统的安全性。因此在任何安全相关的应用领域内，迫切的需求真随机数。同时在新兴的量子通信领域，随机数同样是不可或缺的；在量子密钥分发系统中，需要大量的真随机数。量子随机数发生器的诞生解决了高速生成真随机数的难题。量子随机数发生器基于量子力学基本原理，而量子力学的一个显著特征是其内在包含随机性，因此量子随机数发生器是一种真随机数发生器。

作为一种硬件随机数发生器，量子随机数发生器由多个部分组成，保证每个部分均安全可靠的工作才能使其输出可靠的随机数，任何安全漏洞均可能导致随机数被攻击者窃取而使整个安全系统被突破。同时实际器件存在各种缺陷，因此从量子态的制备到测量均会存在和理论描述的偏差，必须严格检测各个器件以量化此类缺陷，忽视任何缺陷可能导致过高估计最终的随机数生成速率从而使发生器存在安全漏洞。对量子随机数发生器的所有器件进行及时检测和监控不但在实际操作上难以进行，同时也会大大增加系统的复杂度，因此通过引入新的机制来减少需要检测和监控的硬件是一种更实际更合理的方式。源无关的随机数发生器随即被提出，在此类发生器中光源无需可靠，即光源可以被攻击者操控，从而使得光源发出的量子态并非预先设定制备的量子态；此外由于器件本身并非完美，即使没有外界的操控，现有光源制备的量子态也和所需量子态存在偏差。源无关量子随机数发生器免除了对光源进行监控的必要，同时也考虑了实际光源存在的缺陷，因此是一种更安全更实用的量子随机数发生器。现有源无关量子随机数发生器的输出速率还不是很高，为了进一步提升速率，高维编码是一种简单可靠的方式。

高维编码的形式也多种多样，而主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。

在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态可以用如下公式来描述

其中|f_n>和|t_m>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。

在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|t_n>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据上述公式不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t₀>和|f₀>的时间编码形式，且对于|f₀>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。

实用新型内容

本实用新型提供一种量子随机数发生器，采用高维编码的方式提升源无关随机数发生器的输出速率。

一种源无关高维时间编码的量子随机数发生器，包括采用高维时间编码方式获得并输出编码后光脉冲组的发送模块以及接收所述编码后光脉冲组的接收模块，所述接收模块包括：

测量选择装置，用于将来自发送模块的编码后光脉冲组随机输入X或Z基矢测量装置；