[发明专利]芯片结构零差探测的量子随机数发生器

权利要求书

1.芯片结构零差探测的量子随机数发生器,包括光源(1)、偏振控制器(2)、输入波导(3)、多模干涉器(4)、输出波导(5)、光电二极管(6)、跨阻放大器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、模数转换器(10)和提取器(11)；其特征在于，芯片上集成光源(1)、偏振控制器(2)、输入波导(3)、多模干涉器(4)、输出波导(5)、光电二极管(6)、跨阻放大器(7)、乘法器(8)、低通滤波器(9)、模数转换器(10)以及提取器(11)；光源(1)正对偏振控制器(2)设置，偏振控制器(2)通过输入波导(3)接入多模干涉器(4)，多模干涉器(4)通过一对输出波导(5)并联一对光电二极管(6)后汇集输出到跨阻放大器(7)，然后，由跨阻放大器(7)与外接的正弦信号(12)一起连接乘法器(8)，乘法器(8)进一步依次经过低通滤波器(9)、模数转换器(10)以及提取器(11)输出；提取器(11)从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中mk；光源(1)发出连续激光，经过偏振控制器(2)之后，通过光栅耦合器耦合到一个输入波导(3)中，另一个输入波导(3)没有光信号输入，经过多模干涉器(4)之后由两个输出波导(5)输出光信号并耦合到两个光电二极管(6)上，光电二极管(6)产生的电流经过做差之后，再经过跨阻放大器(7)转换成电压信号并放大，经过乘法器(8)与一个正弦信号相乘后再通过低通滤波器(9)滤波，得到所需频段的信号，再经过模数转换器(10)转换后得到数字信号，经过提取器(11)提取后，得到最终的随机数QRN并输出；

输入波导(3)和输出波导(5)为高度对称的单模波导，一对输入波导(3)接入多模干涉器(4)；其中一个输入波导(3)与激光耦合接入；

多模干涉器(4)的两个输出具有相同的分光比；

正弦信号(12)选用50～150MHz频段的散粒噪声信号，光电二极管(6)的带宽大于150MHz，对这一频段之外的信号进行滤波，在跨阻放大器(7)中进行IV转换时进行高通滤波，过滤50MHz以下的信号，然后信号经过跨阻放大器(7)之后与一个100MHz的正弦信号(12)通过乘法器(8)相乘后，再经过50MHz的低通滤波器(9)滤波，得到所需频段的信号；使用200MHz的模数转换器(10)对信号进行采样；在进行数据提取之前，根据最小熵来估算出可提取的随机数数量，最小熵的计算公式如下：H_min＝-log₂(P_max)；其中，P_max是探测电压概率分布中的最大概率，经过计算，信号的最小熵为5.9位/采样，即，平均一次采样最多能够提取5.9位的随机数，模数转换器(10)的位数是8，平均每位提取的数据最多为5.9/8＝0.7375位，据此设计的提取器(11)为：选取输入序列长度1000，输出序列长度为700，即从1000位的输入序列中提取出700位的输出序列，其提取比例为0.7，小于之前要求的0.7375，符合提取器(11)对于熵值的要求；模数转换器(10)的采集频率和提取器(11)的提取比例分别为200MHz和0.7，最终的随机数输出带宽为1.4Gbps。

2.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，光源(1)为激光二极管或VCSEL激光器，光源(1)发出中心波长为1550nm的连续激光。

3.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，光电二极管(6)为锗p-i-n结光电二极管，集成在芯片上。

4.如权利要求1所述的芯片结构零差探测的量子随机数发生器，其特征在于，提取器(11)为Universal hash function、Toeplitz矩阵哈希提取器、Trevisan提取器以及HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法随机性提取器。