[实用新型]一种多波长并行光量子随机数发生器

说明书

本实用新型公开了一种多波长并行光量子随机数发生器。多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本实用新型利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。

技术领域

本实用新型涉及随机数发生装置技术领域，尤其涉及一种多波长并行光量子随机数发生器。

背景技术

随着信息量井喷式增长，信息安全开始日益受到各行各业的重视。随机数在信息加密过程中具有不可替代的作用。而基于光源相位噪声的量子随机数发生器由于其内禀的量子随机特性，可以实现真随机数的产生，从而保证了信息传递的安全。另外，真随机数在人工智能的发展中也起着重要作用，特别是在深度学习的模型训练过程中，需要引入真随机数以确保训练后模型的最终准确性。

由于光的相位是不能被光探测器直接探测的，因此基于光源相位噪声的量子随机数发生器通常需要借助于干涉仪结构将相位变化转变为振幅变化。然后由光电探测器将光信号转换为电信号，再经采样和模数转换后得到随机数。其中，干涉仪结构的作用是将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，其中不同传输通路的延时差决定了提取相位噪声的时间窗口，它与光源的相干时间、光电探测器的响应时间以及采样时间间隔的相对大小关系，对产生随机数的随机性有着至关重要的影响。根据文献[Qi，B.，eta1.″High-speedquantum random number generation by measuring phase noise of asingle-modelaser.″Optics Letters35.3(2010)：312-314.]表明，理想情况下应满足：

T_s≥Δt≥τ_c≥T_r (1)

其中，T_s为采样间隔，其倒数即为采样速率；Δt为干涉仪两臂的延时差；τ_c为光源的相干时间；T_r为光电探测器的响应时间。上式(1)表明理想情况下的采样速率是存在一个上限的。尽管可以通过提高采样速率来提高随机数的产生速率，但是实际上单方面提高采样速率会有两个方面的不利影响：一是当采样时间间隔小于干涉仪的延时差时，提高采样速率(减小采样时间间隔)实际上等效于减小干涉仪的延迟差，从而使得转换所得的幅度噪声的方差(功率)减小，产生数据的熵值将会下降；二是随着采样速率的增加，随机数样本的短程相关性增加，而在随机数评价中，相关系数越接近于零，则认为所产生随机数的随机性越好，因此，通常需要进行后处理减小这种相关性。

实用新型内容

本实用新型通过提供一种多波长并行光量子随机数发生器，解决了现有技术中单方面提高采样速率带来的随机数熵值下降和短程相关性增加的技术问题，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。

本实用新型提供了一种多波长并行光量子随机数发生器，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。

进一步地，所述多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；所述宽谱光源的光输出端与所述梳状滤波器的光输入端相连，所述梳状滤波器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。

进一步地，所述多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；所述各单波长激光器的输出光束射入所述光耦合器，所述光耦合器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。