[发明专利]基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片及方法

摘要

基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片及方法,芯片内置光源，随机发射符合泊松分布的光子；采用CMOS像素阵列接收光源信号并转换成电信号，经过放大处理和模数转换以提取器从信号中提取出量子随机数。通过调整CMOS的采集速率、像素阵列数量以及其他参数，可以获得覆盖2Mbps到2Gbps速率区间的随机数输出，生成的随机数质量良好，方便的应用于多种场景，以满足不同需求。芯片典型尺寸小于5mm*5mm*2mm；价格便宜，功耗低，尤其适宜在物联网安全领域得到大规模的推广应用。

主权项

1.基于CMOS探测的量子真随机数生成器芯片,芯片内置模块包括：光源、CMOS传感器、后处理单元；CMOS传感器包括CMOS像素阵列、模拟放大器、模数转换器；后处理单元包括：处理器和提取器；光源安装在CMOS传感器中的CMOS像素阵列前方，在CMOS传感器中的CMOS像素阵列依次连接模拟放大器和模数转换器；CMOS传感器中的模数转换器连接到后处理单元中的处理器；在后处理单元中，处理器进一步连接到提取器；其中：光源，采用可见光波段的LED光源，随机发射光子；CMOS像素阵列，用于接收光子并转换成电信号；模拟放大器，用于对电信号进行放大；模数转换器，用于将放大后的信号转换成数字信号，并发送给处理器做进一步的处理；所述提取器选Toeplitz矩阵哈希提取器或Trevisan提取器，对接收到的数据进行随机数提取，得到QRN随机数序列，并输出随机数；其特征在于：所述CMOS传感器除了在吸收光子数非常小和吸收光子数接近饱和时之外具有大范围的线性工作区间；所述模数转换器的位数与CMOS像素阵列吸收的饱和光子数相匹配，即其位数d满足条件：2^d大于CMOS像素阵列吸收的饱和光子数；所述提取器从长度m的低熵值序列中提取长度k的高熵值序列，其中m>k；所述处理器，用于接收数字信号，计算每个像素的最小熵，并根据最小熵值进行统计和筛选，确定是否把该像素的数据发送给提取器；所述处理器实时统计每个像素吸收的光子数的平均值，并把每个像素的平均值和预设的阈值区间比较，如果某像素的平均值处于阈值区间之内则把该像素的数据发送给提取器进行提取，否则舍弃该像素的数据。