[发明专利]芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器

权利要求书

1.芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器,其特征在于，芯片上集成光源驱动器(1)、光源体(2)、偏振控制器(3)、前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)、多模干涉器(7)、光电二极管(8)、跨阻放大器(9)、模数转换器(10)、提取器(11)和热移相驱动器(12)；其中，光源驱动器(1)依次顺序连接光源体(2)、偏振控制器(3)、前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)和多模干涉器(7)，多模干涉器(7)分别连接二路光电二极管(8)，其中一路光电二极管(8)进一步通过热移相驱动器(12)分别同时连接回前平衡MZI干涉仪(4)、非平衡MZI干涉仪(5)、后平衡MZI干涉仪(6)；另一路光电二极管(8)进一步通过跨阻放大器(9)顺序链接模数转换器(10)和提取器(11)；工作流程包括：光源驱动器(1)驱动光源体(2)在给定的功率下工作发出连续激光，经过偏振控制器(3)之后通过光栅耦合器耦合到前平衡MZI干涉仪(4)的一个输入波导中，另一个输入波导没有光信号输入，信号从前平衡MZI干涉仪(4)输出后先后经过非平衡MZI干涉仪(5)和后平衡MZI干涉仪(6)后进入多模干涉器(7)，多模干涉器(7)的两个输出与两个光电二极管(8)耦合，其中一个光电二极管(8)与热移相驱动器(12)连接，另一个光电二极管(8)把光信号转换为电流信号后经过连接跨阻放大器(9)转换为电压信号并放大，放大后的电压信号经过模数转换器(10)采集后变为数字信号，数字信号经过提取器(11)提取后输出随机数；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m>k。

2.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，光源体(2)为激光二极管或者VCSEL激光器。

3.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，偏振控制器(3)通过光栅耦合器耦合连接一个输入波导，该输入波导连接前平衡MZI干涉仪(4)。

4.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，前平衡MZI干涉仪(4)、后平衡MZI干涉仪(6)和多模干涉器(7)的干涉臂高度对称，具有相同的长度和横截面积，共同起到一个可调分束器的作用。

5.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，非平衡MZI干涉仪(5)的两个干涉臂具有不同的长度，两者的延迟时间约为540皮秒。

6.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，模数转换器(10)的采集频率选定为200MHz，提取器(11)的提取比例0.65，所以最终的随机数输出带宽为1.3Gbps。

7.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样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、HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法的随机性提取器。

8.如权利要求1所述的芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，其特征在于，模数转换器(10)采集的电压数据的方差主要由三部分构成，包括量子相位噪声、经典相位噪声和背景电场噪声，由如下公式表示：

σ²＝AC·P²+AQ·P+F；

其中，AC和AQ分别表示经典相位噪声和量子相位噪声，P为激光的功率，F表示背景电场噪声，对于其中的量子相位噪声，定义量子噪声和经典噪声的比值：

在光源体(2)功率为0.24mW时QCNR达到最大，为3.296；光源体(2)在光源驱动器(1)的驱动下在这一功率下工作；在进行数据提取之前需要根据最小熵来估算出可提取的随机数有多少，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5.6位/采样，也就是说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5.6/8＝0.7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650，也就是说从1000位的输入序列中提取出650位的输出序列，其提取比例为0.65，小于之前要求的0.7，符合提取器(11)对于熵值的要求。