[发明专利]一种基于偏振的激光相位波动的量子随机数产生系统

说明书

本发明公开了一种基于偏振的激光相位波动的量子随机数产生系统，涉及量子随机数领域，该系统包括依次连接的脉冲激光模块、光强稳定模块、干涉模块、探测模块、模数转换模块及数据后处理模块，脉冲激光模块、光强稳定模块及干涉模块之间依次通过保偏光纤连接，脉冲激光模块用于制备两路光脉冲，其中一路光脉冲耦合进保偏光纤快轴，另一路光脉冲耦合进保偏光纤慢轴，干涉模块将两路光脉冲的偏振方向旋转之后耦合，实现干涉。本发明通过两个独立的激光器进行干涉测量，代替了当前技术中激光自干涉技术；本发明选用分布式反馈激光器，能够实现良好的干涉效果；本发明通过旋转耦合的方式实现干涉测量，并能够排除偏振波动对干涉效果的影响。

技术领域

本发明涉及量子随机数领域，具体涉及一种基于偏振的激光相位波动的量子随机数产生系统。

背景技术

随机数是科学和工程的基础资源，在仿真和密码学中有着重要的应用。经典随机数的生成往往是基于确定算法或者可预测的复杂物理现象，这种生成方式的随机数发生器易于使用，但同时随机数生成过程中也存在着安全性威胁。通过这些方式生成的随机数被称为伪随机数，伪随机数不能满足高机密应用中的安全性需求。相对的，量子随机数发生器可以被称为真随机数发生器，其输出的随机数是根据对量子物理系统中具有内禀随机特性的变量进行测量得到的。

目前，量子随机数生成是量子技术中最成熟的技术之一，有多种生成方法可供选择，如早期的实用化量子随机数发生器多采用单光子方案。近年来，激光相位波动方案与真空态方案成为量子随机数的研究热点，这两种方案的共同特点是采用高速光电探测器取代了之前的单光子探测器，使随机数产生速率不再受到单光子探测器饱和计数率的限制，达到Gbps的量级。

当前技术“一种抑制噪声的量子随机数生成装置、方法及发生器(CN202010198459.2)”，该技术使用窄线宽激光器作为熵源，通过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行自干涉，使用零差检测或模数转换后作差的方法消除测量值中的光强偏置项，具有抑制激光强度噪声的效果，但同时该技术也存在些问题，例如：

1、该技术采用的激光自干涉法会导致前后脉冲存在相位上的关联，影响原始数据的自相干系数，在原始数据产生速率较高时(约50Mbps)，其相邻两项的自相干系数会有明显提高，这会对随机数的质量及生成速率产生限制；

2、为了降低相邻脉冲之间的关联性，需要干涉仪两臂的光程差大于光的相干长度，这会使得器件变得复杂，不利于实现集成化；

3、该技术使用SFP激光器或SLED光源充当熵源，SFP激光器是光通信中的常用器件，能够以较低的成本发出高频光脉冲，但光本身的中心频率不稳定，线宽也较宽，无法达到良好的干涉效果；SLED光谱较宽，自干涉效果也比较差，SFP激光器或SLED光源并不是激光相位波动方案中理想的熵源。

当前技术“一种基于探测后作差的量子随机数产生方法及系统”(CN202210671742.1)，该技术采用两个频率相近的激光器进行干涉，结合适当的数据后处理方法，可以解决相邻两次测量之间的关联性问题。该技术还在数据后处理过程中将量子噪声和经典噪声进行了分离，提高了最小熵，但同时，该技术也存在些问题，如：该技术没有考虑到偏振波动对干涉结果产生的影响，只有在两束光偏振方向完全相同时，才能达成最佳干涉效果。在高精度的光电系统中，单模光纤每隔几十分钟就需要进行偏振校准，尤其是在集成化的量子随机数发生器中，光纤的弯曲和抖动会对偏振带来不可忽视的影响。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于偏振的激光相位波动的量子随机数产生系统，解决了当前激光自干涉法所带来的一系列的问题、激光相位波动方案中理想熵源选择不当的问题及干涉过程中偏振波动带来影响的问题。本发明通过两个独立的激光器进行干涉测量，代替了当前技术中激光自干涉技术；本发明选用分布式反馈激光器，能够实现良好的干涉效果；本发明通过在保偏光路中使用旋转耦合的方式实现了干涉测量，能够排除偏振波动对干涉效果的影响。