[发明专利]一种量子随机数发生器芯片及设计方法

说明书

本发明公开了一种量子随机数发生器芯片及设计方法，该芯片包括：依次连接的光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片，其中：光学芯片包括连续激光器、光分束器、第一光衰减器、第二光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器；微控制器芯片包括第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器和处理器；跨阻放大器芯片包括跨阻放大器；其中，光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片封装得到量子随机数发生器芯片。本发明通过系统化封装的方法将光学芯片和微控制器芯片封装在一块芯片内，大幅度缩小了量子随机数系统的体积，极大地提高了系统和结构的稳定性，同时降低了功耗和成本，提升了应用范围和应用场景。

技术领域

本发明属于量子随机数产生技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器芯片及设计方法。

背景技术

随机数是一种广泛使用的基础资源，在量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样、神经网络计算、传统信息安全等众多领域都有着广泛而重要的应用。量子随机数发生器的随机性保障源于量子物理原理，通过测量量子物理系统中内秉的随机特性产生真随机数，具备不可预测性，不可重复性和无偏性，其随机性是由量子力学基本原理所保证的，相比于其它随机数产生技术来说更具优势，因而具有更高的安全性，特别适合对于随机性要求较高的应用场景。

多种方案可以实现量子随机数发生器，例如光子路径选择方案、光子到达时间方案、激光相位波动方案和测量器件无关的量子随机数方案等。目前基于分立光电子器件搭建的量子随机数系统，普遍具有价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低等缺点，难以满足量子随机数普及应用需求。例如上述举例，单光子路径选择的方案和光子到达时间方案，其比特率为Mbps量级，系统中用到了单光子探测器，系统体积大、成本高；激光相位波动的方案，比特率可达10Gbps以上，但是由于此方案中含有光学干涉仪，导致系统体积较大，对振动和温度很敏感，不利于实用化。

目前，现有的另一种随机数方案的光源与读数电路为独立外接结构，且读数电路为现场可编程阵列，体积较大，且功耗较高；同时，上述技术方案的光源与光学芯片通过贴合的方式固定，结构稳定性较差。

从以上例子可以看出，量子随机数应用场景需要低成本、低功耗、小体积、稳定性和可靠性高的随机数方案。

综上所述，现有技术的缺陷为：目前的量子随机数系统价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低，难以满足量子随机数普及应用需求。

发明内容

因此在现有技术中，基于分立光电子器件搭建的量子随机数系统价格昂贵、体积大、功耗高、稳定性差、可靠性低，难以满足量子随机数普及应用需求。

为此，非常需要一种改进的量子随机数发生器芯片及设计方法，以使实时量子随机数发生器通过单芯片的方式实现，并通过混合集成和系统级封装的方法，将光学芯片和后端读数电路芯片集成在一个封装内，最终单芯片实时量子随机数发生器能够满足低成本、低功耗、小体积、稳定性和可靠性高的实用化应用需求。

在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种量子随机数发生器芯片及设计方法。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种量子随机数发生器芯片，包括：依次连接的光学芯片、跨阻放大器芯片和微控制器芯片，其中：上述光学芯片包括连续激光器、光分束器、第一光衰减器、第二光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器；上述微控制器芯片包括第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器和处理器；上述跨阻放大器芯片包括跨阻放大器；

在本发明的一个实施例中，上述光分束器的两个输出端分别独立连接上述第一光衰减器与第二光衰减器；上述第一光衰减器的输出端连接上述第一光电探测器，上述第二光衰减器输出端连接上述第二光电探测器。

在本发明的另一个实施例中，上述光分束器设置有两个输入端，上述光分束器的一个输入端与上述连续激光器连接，另一个输入端空置，作为真空态光输入端。