[发明专利]芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器

说明书

芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器,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)；光源体(2)发出连续激光，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。具有很大的输出带宽，设备的典型尺寸小于1cm*1cm*0.3cm，降低制造成本，实现设备小型化。

技术领域

本发明属于密码学领域，涉及IPC分类G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术，尤其是芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器。

背景技术

量子随机数发生器是基于量子物理和量子效应，产生真随机数的设备，量子随机数发生器具有真随机的特点，产生的随机序列无周期性，不可预知，主要应用在密码系统的随机性质量和安全性具有严格要求的重要领域，如安全加密系统、通信系统以及统计仿真系统等。例如，量子随机数发生器是量子保密通信系统的核心部件，量子保密通信技术，作为一种“无条件安全”的通信保密手段，能够完美地解决信息传输过程中的安全问题，成为新一代信息网络安全解决方案的核心。

相关专利文献公开较少。

清华大学提出的中国专利申请201820480303.1提供一种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器。在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。

北京中创为量子通信技术有限公司提出的中国专利申请201810911865.1提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，其中量子随机数发生器包括脉冲激光器、干涉仪、光电探测器以及信号处理模块；脉冲激光器向干涉仪输出脉冲激光信号，脉冲激光信号携带自发辐射光子的相位涨落信息；干涉仪使光程时间差满足预设条件的两路脉冲激光信号之间发生干涉，从而将脉冲激光信号的相位涨落转换为干涉光信号的强度涨落；由光电探测器将干涉光信号转换为模拟电信号；利用信号处理模块对模拟电信号进行处理，生成量子随机数；不需要单光子探测器，因此可以降低成本，而且量子随机数产生速率可以达到Gbps，大大提高了量子随机数的产生速率。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。相位噪声是对信号时序变化的一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声，如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f＝fo处。但相位噪声的出现，将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。抖动和相位噪声所描述的是同一现象的特征，如果能从相位噪声的测量结果中导出抖动的值将是有意义的。对于在量子随机数发生器中应用相位噪声采样或探测技术的相关文献未见公开。

另一方面，近年来，随着集成量子光学的发展，诸如光电探测器之类的很多量子光学所用的器件都发展并公开了集成在芯片上的方案，在这样的装置小型化发展趋势下，追求更高的真量子随机数产生速率，将相位噪声探测技术应用于量子随机数发生器的探索，对于控制和降低制造成本，也具有重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的是提供芯片结构相位噪声采样的量子随机数发生器，降低制造成本，实现设备小型化。