[发明专利]全硅基CMOS量子随机数发生装置

说明书

全硅基CMOS量子随机数发生装置，使用标准CMOS工艺在硅衬底上制造芯片内置模块包括：硅基LED(4)、CMOS传感器(3)、处理器(5)和LED控制电路(6)，以随机的光子数作为随机源，在单片集成电路中实现量子真随机数发生系统；从而降低生产成本，实现量子随机数芯片的小型化。使用标准CMOS工艺，方便将全部组成部分集成制造在硅基衬底上，通过提高CMOS传感器的探测频率和增加CMOS传感器的像素数量来提高随机数的输出速率；提供与已知技术的随机数生成器相比，制造真随机数生成器，降低后处理的难度，提高系统稳定性，工艺简捷，能耗少，价格低廉；结构更加简明紧凑。

技术领域

本发明涉及量子随机数生成技术，属于IPC分类G06F7/58随机数或伪随机数发生器技术领域，尤其是全硅基CMOS量子随机数发生装置。

背景技术

随机数是专门的随机试验的结果。随机数在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多的领域中有着广泛的应用。在统计学的不同技术中需要使用随机数，比如在从统计总体中抽取有代表性的样本的时候，或者在将实验动物分配到不同的试验组的过程中，或者在进行蒙特卡罗模拟法计算的时候等等。

产生随机数有多种不同的方法中，利用量子物理过程内在的不确定性生成随机数的量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator，QRNG)在近些年来越来越受到重视，出现了多种实现方案。在这些QRNG中，通常采用激光二极管(Laser diode， LD)或发光二极管(Light emitting diode，LED)作为光源。使用LD作为光源的方案中，装置通常都是结构复杂、价格昂贵、整体尺寸大，并且不能作为单片集成电路来实现。而在使用LED作为光源的方案中，大都是采用非硅基LED来产生单光子的，其中LED是作为分立元件存在的，因此它们不能和探测器一样用传统的CMOS工艺实现，而只是集成在一起，从而使设备复杂且体积较大。

目前，LED芯片技术主要包括三类：蓝宝石衬底技术、碳化硅衬底技术和硅衬底技术。这三种主流技术路线中，蓝宝石衬底LED为市场主流，碳化硅衬底LED虽然技术上有一些优势但由于价格昂贵降低了其竞争力，硅衬底LED相比前两种衬底最大优势在于可与硅电子元件整合和低成本，近年来受到了广泛的关注。尤其是与标准CMOS工艺兼容的硅基LED的出现，方便了硅基LED与其他器件的集成。

Khanmohammadi、Enne和Hofbauer等人在发表于IEEE Photonics Journal[J],2015,7:1-13.文章“A Monolithic Silicon Quantum Random Number Generator Basedon Measurement of Photon Detection Time”中提出了一种单片硅上实现QRNG的方法，然而其使用的是高压CMOS工艺实现的。

Bisadi、Meneghetti和Tomasi等人在发表于physica status solidi(a)[J],2016,213:3186-3193.文章“Generation of high quality random numbers via an all-silicon-based approach”提出了一种全硅基的QRNG方法，然而文中装置是由模块和仪器组成的，并没有在单片集成电路中实现。

特伦蒂诺发展公司提出的中国专利申请201580041632.5，公开了一种随机数生成器，其包括光子源和被配置成检测等于λ的光子流的一个或更多个SPAD型光子检测器，其中，光子由光子源生成。随机数生成器还包括电子采样装置。电子采样装置被配置成使得在观察窗Tw中的每个观察窗内检测入射在每个SPAD光子检测器上的光子的到达时间t，并且还被配置成使得将到达时间t转换成二进制序列。在本发明的生成器中，光子源和电子采样装置被配置成使得乘积λ*Tw小于或等于0.01。