[实用新型]光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置

说明书

一种光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置,采用匹配波长的LED作为光源，通过四象限探测器对角像元并接的方法，提取两路光电流信号，实现双路平衡零差探测；两个对称的前置运算放大器进对两路电流信号分别进行全差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。经处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列。集成度高，提高了信号质量，降低了产品成本；光电流信号经IV转换、反相放大、全差分处理，经高频调制解调、FIR滤波、消直流、分布处理后产生高质量的量子随机数序列。省去分束镜、光纤等设备，结构更加的简单。

技术领域

本实用新型属于密码学领域，尤其是光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置。

背景技术

真空量子随机数，是指利用真空态涨落的量子化不确定性，对其进行采集、放大和输出，产生随机数据流。而光电探测器的散粒噪声(shot noise)则即是反映了光量子的涨落，因此在技术实现上可以通过提取光电探测器的散粒噪声、放大、鉴别输出实现。

平衡零差探测提取散粒噪声的原理通常将1束光等分成2路并分别入射到2个全同的光电探测器上，然后将两路光电流差分，并将差分后的信号进行放大，以提取散粒噪声电流。

经典电子学或光学中，散粒噪声指的是实验观测中的读出噪声。当被观测的粒子数量少到一定程度时，能引发观测数据的统计涨落，其概率符合Poisson分布。量子光学中的真空散粒噪声机制与经典光学中并不相同，其实质是由于真空涨落引发的观测数据的统计涨落。

相关技术领域已公开专利文献较少。

在光电探测系统中广为使用的多元非成像光电探测器多为四象限光电探测器件。四象限光电探测器采用分立光学器件结合电子学信号处理的方式实现，是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。它包括硅光电池以及四象限光电二极管，如四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。四象限光电探测器信号处理系统主要采用以峰值检测电路和峰值保持电路为核心的脉冲信号展宽及采集方式进行工作，在目标指示器脉冲激光的照射下，四象限光电探测器输出窄脉冲电信号，窄脉冲电信号经过前置放大和滤波以满足数据采集的幅度和信噪比要求。峰值保持电路对窄脉冲电信号进行展宽，以减轻模数转换器的带宽限制。峰值检测电路的作用是检测窄脉冲电信号的峰值，为模数转换器提供准确的峰值采样时刻。信号处理单元接收到模数转换器输出的脉冲信号幅值数字量后控制放电电路对峰值保持电路中的储能电容进行放电，然后对脉冲信号幅值数字量进行计算和处理，得到光斑中心位置信息并输出至上位机控制系统。由于峰值保持电路采用跨导放大器对储能电容进行充电来暂存窄脉冲电信号峰值以展宽脉冲宽度，所以储能电容成为影响系统性能的关键部件。虽然如此，但由于储能电容的电荷泄漏以及分立电容参数的不一致性，导致采集到的激光脉冲信号失真，降低了系统精度。此外，由于分立电容参数随温度变化的特性存在较大的个体差异性，导致四个通道的激光脉冲信号处理增益不一致，光斑中心位置测量精度易受环境温度影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置。

实现发明目的该装置中包括LED光源、四象限光电探测器、前置运算放大器、全差分放大器、乘法器、低通滤波器、ADC模数转换器、FPGA芯片和QRNG序列模块；其中，LED光源正对安装四象限光电探测器，由四象限光电探测器连接两个对称的前置运算放大器，该两个对称的前置运算放大器通过全差分放大器连接乘法器，然后，进一步的依次连接低通滤波器、ADC模数转换器后通过FPGA芯片连接QRNG序列模块；所述FPGA芯片，包含FIR滤波器、消直流模块和分布处理模块。

所述LED光源工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。

所述LED光源发出中心波长为870nm波段的光。