[发明专利]基于弱相干脉冲序列的量子真随机数生成方法

说明书

本发明公开了一种基于弱相干脉冲序列的量子真随机数生成方法、系统及存储介质，通过单光子光源或衰减弱相干脉冲序列实现单光子序列产生，通过级联分束器实现路径选择光路构建，通过多通道单光子探测器或时分复用系统与单通道单光子探测器实现输出端口探测，通过光学衰减器衰减重复频率固定的激光脉冲，将单脉冲平均光子数降低获得空脉冲和特性接近单光子的弱相干脉冲序列。本发明生成的真随机数符合量子力学基本原理，且具有生成速率高、稳定性好、结构简单、易于集成等诸多优点，可以作为真随机数生成器的全新方案，为安全通信、机器学习、随机算法等应用提供重要支撑。

技术领域

本发明属于计算机和量子光学交叉学科领域，具体是指一种通过衰减激光脉冲获得弱相干脉冲序列并通过非空脉冲时序位置探测生成随机数的技术，尤其涉及一种基于弱相干脉冲序列的量子真随机数生成方法、系统及存储介质。

背景技术

单光子光源是一种在量子光学领域特别是量子通信领域得到广泛应用的非经典光源，通常通过激励量子点或金刚石色心缺陷的方式实现。单光子态光子特性迥异于相干态光子，零延迟二阶相关系数理想值为0，物理实际可表述为：单光子通过光学分束器时将按照等同于分束比的概率比从两个输出端口随机输出。这一特性被广泛应用于量子传感、量子计算和路径选择量子通信。另一方面，量子通信技术的核心是将量子态保真无损地分发给通信双方，任何对传输信道的干扰(无论是窃听攻击还是环境意外)都会打破量子态同步共享机制，引起通信双方察觉。量子通信技术分支中最为成熟的量子保密通信技术，其本质是通过量子态分发实现通信双方母本密钥的实时共享，通过母本密钥或变换密码对明文信息进行加解密处理，最大限度地避免了暴力破解风险。这一属性基于海森堡测不准原理，获益于量子通信固有的真随机特性。随机数生成技术在蒙特卡洛估算、PN码分多址、Hardcore加密、机器学习模型训练等应用中发挥重要作用。

通过算法产生的随机数都是伪随机数，理论上可以根据已生成随机数(经过大量计算)预测未来随机数；只有通过真实随机事件生成的随机数才是真随机数，通常通过机器运行环境中产生的硬件噪声获得，包括放大电路热噪声、电磁场环境噪声等，该方案存在不可控风险且随机数生成速度较低。

发明内容

针对现有技术，本发明要解决的技术问题是利用衰减脉冲激光生成弱相干脉冲序列；通过级联1-M等比例光学分束器构建1-M^N路径选择光路；从单一端口输入的弱相干脉冲将等概率从M^N个端口输出，单光子输出端口将为真随机事件；利用2N通道的弱相干脉冲探测器探测输出端口序号，或者利用时分复用系统将不同端口弱相干脉冲复用于不同时序位置并通过M^N倍于弱相干脉冲序列重复频率的弱相干脉冲探测器探测输出端口序号；将输出端口序号按时间顺序转换为数字序列，即为量子真随机数序列。

为了达到上述效果，本发明提供的基于弱相干脉冲序列的量子真随机数生成方法，通过单光子光源或衰减弱相干脉冲序列实现单光子序列产生，通过级联分束器实现路径选择光路构建，通过多通道单光子探测器或时分复用系统与单通道单光子探测器实现输出端口探测，通过光学衰减器衰减重复频率固定的激光脉冲，将单脉冲平均光子数降低获得空脉冲和特性接近单光子的弱相干脉冲序列。

优选的，单光子序列产生通过衰减激光脉冲生成单脉冲平均光子数为0.1的弱相干脉冲序列。

优选的，上述路径选择光路构建通过构建一对多路径选择光路，使得单一端口输入的单光子能够等概率从多个端口输出。

优选的，上述随机过程既可通过自由空间光路或全光纤器件实现，也可通过芯片集成光路实现。

优选的，上述随机过程既可通过级联光学分束器实现，也可通过级联偏振分束器和偏振旋转器实现。

优选的，上述利用单光子探测器探测路径选择光路每个端口输出，生成随机数序列既可通过多通道单光子探测器并行实现，也可通过时分复用系统和单通道高速单光子探测器串行实现。