[发明专利]一种高温耐抗性的真随机数发生器和真随机数生成方法

说明书

本发明公开了一种高温耐抗性的真随机数发生器和真随机数生成方法，包括：APD模块、驱动模块、加热恒温模块、反馈模块、反向偏置电压模块、信号甄别采集模块和数据传输模块；所述APD模块、加热恒温模块、反馈模块、反向偏置电压模块、信号甄别采集模块和数据传输模块依次连接，驱动模块分别连接APD模块、加热恒温模块和反向偏置电压模块；本发明通过加热恒温模块可以使真随机发生器处于高温稳定的状态，使真随机发生器可以在高温环境中正常工作，也可以适应更多复杂环境；本发明模块结构严密而牢固，可靠性和鲁棒性得到提高。

技术领域

本发明涉及信息安全领域，尤其是一种高温耐抗性的真随机数发生器和真随机数生成方法。

背景技术

随机数主要指具有随机特性的一组随机变量，它在应用数学(如蒙特卡洛模拟方法)、信息安全、信息加密等领域起到了关键作用。随着量子技术的发展，量子密钥分配是目前信息安全技术领域研究的热门，在各种量子密钥分配的实现方案中，随机数产生又是密钥形成过程的来源，扮演着至关重要的角色。

随机数产生器可分为伪随机数产生器(PRNG)与真随机数产生器(TRNG)。伪随机数通常采用一系列数据算法，并通过计算机计算后得到。伪随机数的产生过程不涉及任何物理性的随机过程，并且伴随有周期性、重现性等不良性质。通常在随机性需求不高、随机序列长度需求不大的场合使用，比如信号处理领域、预测领域、金融领域等。此外，伪随机数是无法通过各项随机数性能检测规范的。

真随机数是利用各种物理现象产生的，比如热噪声、光分束、量子隧穿、量子随机塌缩等。基于物理观测值本身随机性的物理随机数发生器，其产生的是真正不可预测的随机数。在各种物理真随机数发生器中，基于量子力学原理的量子随机数发生器，比其他物理过程的随机性更高，速率也更快，是随机数源研究的重要发展方向。目前已有的基于量子效应的随机数发生器，例如有利用量子随机塌缩物理特性研制的光量子随机数发生器；利用发光二极管放大自发辐射噪声研制的高速量子随机数发生器；利用追踪单个光子碰撞检测器的分布几率研制的量子随机数发生器。但是以上方案均要求高精密的光学器件以及低温或常温工作状态，由于光学器件的工艺精度以及光学膜层致密度难以做到精准的指标要求，并且光学器件在恶劣环境下很难保障优良的可靠性和鲁棒性，尤其恶劣环境温度带来的器件老化损伤影响，导致产生的随机数0、1序列分布不均匀、熵值低，随机性统计检测不合格，甚至设备工作寿命大打折扣。同时，低温工作状态的要求需采用超导、TEC等制冷装置对单光子源和光电探测器进行低温制冷，以减少器件暗电流噪声对特征信号的淹没效果，并且与环境温度的热交换温差一旦超出制冷模块所控制范围，超出光电探测器锁定的工作温度，则会导致暗计数陡然增大，随机数计数无效。

为此，为了保障随机数质量及发生器的可靠性，所有随机数发生器均需要复杂的软件/硬件算法后处理过程、复杂的温控电路设计、精密的生产工艺要求以及高品质的元器件和材料，这在成本、性能、效率、功耗及生产工艺等方面均带来不小的开销和潜在的安全性漏洞，这无疑给量子随机数发生器的批量化生产和普遍化应用带来很大的难度。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高温耐抗性的真随机数发生器和真随机数生成方法；本发明解决了真随机数发生器不能再高温环境下正常工作的问题；解决了真随机发生器工作环境单一的问题。

本发明基于雪崩光电二极管(APD模块)中电子的隧穿效应随机生成电学特征信号，通过对该电学特征信号甄别、采集及配合网络防护机制生成量子性强、安全、具备良好随机性统计的二进制随机数序列。

作为本发明的一个方面，本发明不采用激光光源或单光子光源等光学物理源作为信号发生随机源，不采用单光子探测器，避免光学器件性能降低或损坏带来的可靠性问题，采用常见InGaAs材料APD模块作为信号发生随机源，直连采样电路进行信号甄别采样，整体装置模块集成度高，集成电路单板设计，模块结构严密而牢固，可靠性和鲁棒性得到提高。