[发明专利]一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法，其中量子随机数发生器包括量子光源、分束器、反馈控制调节电路以及依次连接的光电探测器、信号采样电路和比较器，量子光源用于产生光信号；分束器用于光信号分为光功率比固定的两束光信号；光电探测器用于对一路光信号进行直接强度探测；信号采样电路用于得到采样电压v；比较器用于将采样电压v与初始化阈值v_e进行比较，得到随机序列；反馈控制调节电路用于实时测量另一路光信号的光功率P以计算光功率增量ΔP，再基于ΔP和反馈控制类型计算出所需的量子光源驱动信号大小，并对量子光源的光功率大小进行调节。本发明可有效实现量子光源光功率的稳定控制，保障初始化阈值的有效性。

技术领域

本发明涉及量子随机数发生器技术领域，尤其涉及一种基于反馈控制的无偏置量子随机数发生器及控制方法。

背景技术

当前，实用化的量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)依据其测量结果的维度可以分为离散型和连续型。离散型是指QRNG的探测输出是离散的，主要基于(准)单光子源和单光子探测。其优势是原理简单，量子模型清晰；其缺点是随机数产生速率受限于单光子探测器的死时间、探测效率、时间抖动等因素。代表性方案包括测量光子的空间分辨性、测量光子的时间分辨性、测量量子态的光子数分布等。连续型是指QRNG的探测输出是连续的，主要基于宏观探测。其优势是产生速率高；其缺点是系统建模复杂，信息论安全性证明困难。代表性方案包括测量真空涨落噪声、测量激光相位噪声、测量放大自发辐射噪声等。

测量量子态光子数分布方案的一般原理如图1所示，该方案一般采用具有明确光子数统计分布的量子光源产生光信号，例如泊松分布光源(强衰减激光器、发光二极管等)和玻色爱因斯坦分布光源(超辐射发光二极管、掺铒光纤放大器等)。量子光源产生光信号入射至光电探测器(Photon Detector,PD)进行直接强度探测，在每一个探测时间窗口内得到正比于光子数目n的光电流i，然后经过信号采样电路得到正比于光电流i的采样电压v，即v＝c₁·i＝c₁·c₂·n＝A·n(A为PD和信号采样电路的综合响应系数，可通过实验测定)，则采样电压v与量子光源产生的光子数目n具有一致的统计特性。因此可以结合量子光源的光子数统计分布和综合响应系数A计算出采样电压的等概率比较阈值v_e(即每次的采样电压小于或大于此阈值的概率均为50％)，通过将每次的采样电压v与阈值v_e输入比较器进行比较，即可得到初始随机序列(vv_e产生比特0，v≥v_e产生比特1)，根据初始随机序列的偏置情况对其进行可选的数据后处理后即可得到最终随机序列。

以泊松分布光源为例，假定所采用的激光器中心波长为λ＝1550nm，光功率为P＝1mW，PD探测带宽为B_ele＝2GHz，可以计算得到探测时间窗口内的平均光子数为

其中h为普朗克常数，c为真空中的光速。则光源在PD探测时间窗口内的光子数统计分布为

P(n＝k)即为PD在探测时间窗口内探测到k个光子的概率，将带入上式可进一步计算得到探测光子数的等概率划分值n_e以及相应的采样电压的等概率比较阈值v_e＝An_e，如图2所示，将比较器的比较阈值设定为v_e即可输出初始随机序列。

当QRNG系统工作状态保持稳定时，比较器可以对PD的探测结果进行等概率划分，此时初始随机序列中0、1个数相等，原则上不需要进行数据后处理。但是在实际应用中，由于QRNG系统不可避免地会受到温度、振动、使用寿命等因素的影响，量子光源的工作状态(如中心波长、光功率等)会随时间发生漂移，预设的比较器阈值可能不适用于量子光源新的工作状态，造成初始随机序列中存在偏置。