[发明专利]基于单光子序列编码随机数生成方法

说明书

本发明公开了一种基于单光子序列编码随机数生成方法、系统及存储介质，生成方法通过单光子光源、单光子探测器和时域分析仪实现单光子脉冲产生与探测，通过时序位置记录和二进制转码实现时序编码随机数生成，生成速率和效能明显提高、稳定性、可扩展性和可集成性等有点明显，是一种真随机数生成器的全新方案，为各种人工智能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，具体是指一种通过单光子光源、单光子探测器和时域分析仪实现单光子脉冲产生与探测，通过时序位置记录和二进制转码生成时序编码随机数的技术，尤其涉及一种基于单光子序列编码随机数生成方法、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。然而，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如何快速、高效地生成量子真随机数序列。

为了达到上述效果，本发明提供的基于单光子序列编码随机数生成方法，通过脉冲激光器按特定重复频率输出强激光脉冲，通过泵浦周期极化铌酸锂波导自发频率下转换实现单光子的成对输出，控制激光脉冲峰值功率，确保单脉冲平均光子数，将信号单光子序列和闲频单光子序列分离，通过单光子探测器探测响应事件出现的时序位置，经过时序编码生成随机数序列。

优选的，上述单光子脉冲产生与探测，主要通过单光子光源、单光子探测器和时域分析仪实现。

优选的，上述时序编码随机数生成，主要通过时序位置记录和二进制转码实现。

优选的，上述单脉冲平均光子数为0.5，即非线性相移的平方为0.5。

优选的，上述空脉冲和非空脉冲平均占比均为50％。

优选的，上述单光子探测器的重复频率高于单光子序列。

优选的，上述时序编码包括定长采样方案和非定长采样方案。

优选的，上述定长采样方案是指在固定不变的、整数倍于单光子序列周期的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数；所述非定长采样方案是指在非固定的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数。

一种实现如上述基于单光子序列编码随机数生成方法的系统，包括：

单光子输出单元，用于输出强激光脉冲后，通过泵浦周期极化铌酸锂波导自发频率下转换实现单光子的成对输出；

单光子序列分离单元，用于控制激光脉冲峰值功率，确保单脉冲平均光子数，将信号单光子序列和闲频单光子序列分离；

随机数序列生成单元，用于通过单光子探测器探测响应事件出现的时序位置，经过时序编码生成随机数序列。