[发明专利]集成化实时高速量子随机码发生器

说明书

本发明属于随机码发生器领域。一种高速量子随机码发生器，包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路，集成熵源系统包括顺序连接的超辐射发光二极管（1）、Y‑型光波导（2），集成探测系统包括第一光电探测器（3）、第二光电探测器（4）、差分器（5）、混频器（6）、射频信号发生器（7）、第一低通滤波器（8）、第二低通滤波器（9）、模数转换器（10），以超辐射发光二极管以及Y‑型光波导提供宽带真空量子噪声为量子熵源，同时基于芯片化FPGA实现熵源离散化提取宽探测带宽内多个相互独立的量子频模作为子熵源，实现量子随机数的并行产生。

技术领域

本发明属于随机码发生器领域。

背景技术

随机码发生器是加密技术的关键，从根本上决定着的通信系统的隐私和安全，在全球金融安全和信息安全领域起着至关重要的作用。随着云计算、大数据、物联网、三网融合等新型产业模式的快速发展和下一代信息网络技术的演进，对信息传输的安全性与速率要求不断提高，势必对真随机码发生器的产率、集成性、稳定性提出越来越高的要求。量子随机数发生器基于量子力学内禀的随机性，是迄今唯一能产生安全性信息论可证明的真随机序列的随机数发生器，连续变量量子随机数发生器因模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种尤具应用前景的真随机数产生方案。然而，传统光学元件尺寸较大并且光路受到环境温度、气流和振动的影响非常大，限制了光子量子信息处理的进一步扩展。光波导替代空间光学元件，固态介质组成的光学元件和光路性能稳定、能耗更小可扩展性强，光量子熵源探测及提取电路的集成化小型化及随机数并行后处理的芯片化将显著降低系统体积及能耗，将促进高速实时量子随机数发生器应用到信息网络中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种连续变量量子噪声基的并行量子随机数发生器高度集成化的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种高速量子随机码发生器，包括集成熵源系统、集成探测系统、量子态多模并行提取电路，集成熵源系统包括顺序连接的超辐射发光二极管(1)、Y-型光波导(2)，集成探测系统包括第一光电探测器(3)、第二光电探测器(4)、差分器(5)、混频器(6)、射频信号发生器(7)、第一低通滤波器(8)、第二低通滤波器(9)、模数转换器(10)，量子态多模并行提取电路包括可编辑门阵列(11)，超辐射发光二极管(1)输出连续波激光进入Y-型光波导(2)，Y-型光波导(2)输出光强相等的本底光和信号光两束光，本底光和信号光分别被第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)探测，第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)探测到的信息经差分器(5)与射频信号发生器(7)产生特定频率的射频信号经混频器(6)混频后通过第一低通滤波器(8)和第二低通滤波器(9)进行滤波，经转换器(10)转换模数后进入可编辑门阵列(11)生成随机码。

单向Y-型光波导可视为具有三个输入和三个输出，当左边输入端仅有本底光输入而无反射，本底相干光光强被平均分配到两个输出端；右边两端无光强输入而只有真空场耦合进入，则光探测器接收光电信号的方差起伏等效于本底光放大的真空场量子起伏。在Y-型光波导的输出处的平均光子数可以用探测器输出的平均光电流来监测。Y-型光波导输出处的两端分别提供整个零拍探测系统的本底光和信号光，光强基本相等的两束光信号分别入射到高量子效率且性能对称的两个光电二极管上，产生的差分电流强度仅与探测器的量子效率和输入端的本底光强有关，而交流部分则比例于真空态分量的量子起伏。

集成探测系统(零差探测系统)集成在硅光子芯片，零差探测系统包括两个光电探测器、差分器、混频器、射频信号发生器、两个低通滤波器、模数转换器。通过对本底光LO不同相位的测量，监测经典噪声引入的熵含量和量子噪声熵含量的相对变化来得到最佳本底光强。平衡探测光电信号经差分器与射频发生器产生特定频率的射频信号经混频器混频，经过低通滤波器滤波处理，最后模数转化器将光电流信号转化为数字信号，通过可编辑门阵列(11)生成随机码。集成探测系统在印刷电路板(PCB)上进行集成。