一种光量子随机源装置及随机位提取方法

一种光量子随机源装置及随机位提取方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于随机源技术领域，涉及光量子随机源技术。
【背景技术】
[0002]随机数已被广泛应用于统计分析、计算机仿真、加密技术等领域。主要有两类产生随机数的方法，一是通过计算机由确定算法产生的伪随机数，虽然该方法可以获得很高的随机数产生速率，但由于算法的内在决定性使得伪随机数不适用于某些应用。如量子密钥分配中，量子态的准备和量子态的探测都需要真随机数。二是从非决定性的物理过程中来提取随机位，如电阻中的约翰逊噪声、激光的相位噪声、非决定性量子过程等，一般认为这些利用非决定性物理过程产生的随机数为真随机数，但不同程度地存在系统复杂、产生速率低或偏差大需要后处理等缺点。
[0003]利用光量子过程来产生物理真随机数是目前的研宄热点，典型的光量子随机源是基于光子通过分束镜或偏振分束镜的空间随机性来实现的，但由于难以实现精确的50:50分束比和两个探测器的探测效率存在差异，产生的原始随机数据存在较大的偏差，即出现“I”的概率与出现“O”的概率不等，因此需要复杂的后续处理。最近报道的光量子随机源大多基于到达光子的时间信息，如根据等时间间隔内探测到光子数的随机性，对固定时间间隔探测到的光子数进行编码来产生随机位。由于固定时间间隔内探测到的光子数呈泊松分布，基于该方法的随机源所产生的原始数据存在较大的偏差，需要进一步后处理。又如根据相邻光子的时间间隔的随机性，对相邻光子时间间隔离散化编码来产生随机位。由于相邻光子间的时间服从指数分布，该方案产生的原始随机数也存在较大的偏差。

【发明内容】

[0004]为了实现偏差小，无需后处理的光量子随机数产生器，本发明提出一种光量子随机源装置及随机位提取方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种光量子随机源装置，包括激光二极管、衰减器、单光子计数模块、FPGA(现场可编程门阵列)随机位提取电路、恒温晶振时钟电路、USB接口和计算机。
[0007]激光二极管位于衰减器前方，单光子计数模块位于衰减器后方；单光子计数模块、恒温时钟电路与FPGA随机位提取电路相连；FPGA随机位提取电路、USB接口、计算机依次相连。
[0008]所述的FPGA随机位提取电路包括倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、2个FIFO(先进先出)存储器(FIF0-1和FIFO-2)、USB2.0接口和控制逻辑单元。
[0009]恒温晶振时钟电路输出的信号输入倍频模块，倍频模块与分频模块和控制逻辑单元相连。单光子计数模块输出的单光子脉冲信号输入到边缘检测模块，边缘检测模块与分频模块和16位计数器相连。16位计数器与偶校验器和先进先出存储器FIF0-2相连。偶校验器、移位寄存器、先进先出存储器FIF0-1、USB2.0接口依次相连。先进先出存储器FIF0-2与USB2.0接口相连。倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、先进先出存储器FIFO-1和FIF0-2、USB2.0接口和控制逻辑单元相连。
[0010]一种光量子随机源装置随机位提取方法，步骤如下:
[0011]1、激光二极管输出激光光束，该激光光束经衰减器衰减后产生离散的单光子序列；
[0012]2、离散的单光子序列被单光子计数模块探测到后，输出离散的单光子脉冲信号；
[0013]3、恒温晶振时钟电路产生高频率稳定度的时钟信号；
[0014]4、将单光子计数模块输出的单光子脉冲信号和恒温晶振时钟信号输入FPGA随机位提取电路；
[0015]5、FPGA随机位提取电路提取随机位的步骤依次如下:
[0016]5.1将输入的恒温晶振时钟信号经倍频模块倍频为更高频率时钟，该高频时钟作为FPGA的工作时钟，输入分频模块和控制逻辑单元；
[0017]5.2将倍频后的高频率时钟信号分频为更低频率时钟作为等时间间隔定时信号；
[0018]5.3将输入的单光子脉冲信号进行边缘检测，然后输出离散的随机方波脉冲；
[0019]5.4系统复位后，控制逻辑单元检测到等时间间隔信号的上升沿时，对计数器进行清零;
[0020]5.5计数器开始对单光子随机脉冲进行计数；
[0021]5.6当下一个定时信号脉冲到达时，所述的FPGA随机位提取电路进行以下操作:
[0022](I)将计数器内的值直接存到先进先出存储器FIFO-2，以便通过USB2.0接口直接输出等时间间隔内光子数，进行数据分析；
[0023](2)对计数器内的值进行大小判决，如此时计数器的值在预设阈值范围内，则输入偶校验器进行偶校验；
[0024](3)偶校验采用按位取异或运算的方法实现，若16位计数器的D15?DO中有偶数个“1”，则D15 ? D14 ? D13田…? D2 ? Dl ? DO = O,若D15?DO中有奇数个“1”，则D15 ? D14 ? D13田…? D2 ? Dl ? DO = I。将校验值作为所提取的随机位移入移位寄存器;
[0025](4)当移位寄存器满后，将移位寄存器的值存到先进先出存储器FIFO-1 ;
[0026](5)如FIFO-1满，通过USB2.0接口模块向计算机发送数据，该数据为系统产生的随机数；
[0027](6)将计数器清零，以便重新开始对单光子随机脉冲进行计数。当下一等时间间隔定时信号到达时，重复上述过程。
[0028]本发明所具有的优点:
[0029]1、随机性好，本发明产生随机数的原理是基于光量子过程的内在随机性，采用等时间间隔内到达光子的奇偶随机性来产生随机数。因此保证所产生的随机数为真随机数。
[0030]2、偏差小，不需要后处理。由于光强恒定光场中。由于光电子发射是泊松过程，各时刻产生的光电子是相互独立的，因此等时间间隔内光子数的为偶数和为奇数的概率相等。因此采用本发明所提取的随机为“I”和“O”的。概率相等，无需后续处理。
[0031]3、本发明采用FPGA来实现随机位的提取，具有集成度高，成本低的优点。
【附图说明】
[0032]图1为光量子随机源装置随机位提取方法。
[0033]图2为本发明结构示意图。
[0034]图3为FPGA的随机位提取电路的原理图。
[0035]图4为FPGA的随机位提取电路的工作时序图。
【具体实施方式】
[0036]以下将结合附图对本发明作进一步说明。
[0037]本发明具体实施中使用的激光二极管采用美国相干公司(Coherentcorporat1n)制造的型号0BIS660LX的激光二极管；使用的单光子探测器模块的型号为SPCM-AQRH-15。
[0038]本发明提出的光量子随机源的原理为:将连续波激光二极管衰减成离散的单光子序列，利用基于雪崩光电二极管的单光子计数模块(Single-photon Count Module, SPCM)来探测单光子，通过测量出等时间间隔ΛΤ内探测到光子数(SI，S2, S3,…，Sn)的奇偶性来提取随机位。如果Sn为奇数则产生随机位“1”，如果Sn为偶数则产生随机位“0”，如图1所示。光强恒定光场中，由于光电子发射是泊松过程，各时刻产生的光电子是相互独立的，因此在给定时间间隔内的光子数是 随机且相互独立，产生的随机位是“I”还是“O”是随机的，且随机位的输出“ I”和“O”的概率也相等。
[0039]所设计基于等时间间隔内光子数奇偶随机性的光量子随机源如图2所示，由连续波激光二极管、衰减器、单光子计数模块、FPGA随机位的提取电路、恒温晶振时钟、通用串行总线2.0接口和计算机组成。激光二极管采用美国相干公司(Coherent corporat1n)制造的型号0BIS660LX的激光二极管，其功率稳定度小于2%。单光子探测器模块的型号为SPCM-AQRH-15。为获得高频率稳定度的时钟，晶振采用频率为50MHz，频率稳定度为土 1ppb的恒温晶振。激光二极管输出的连续波激光经衰减成离散的单光子序列，通过衰减片的数量来调节光子流的强度和使系统工作在不同的计数率下。离散的光子序列被单光子探测模块探测到后输出随机的单光子脉冲，基于FPGA的随机位提取电路接收单光子脉冲后，进行随机位的提取并将提取的随机位通过USB2.0接口送至计算机。
[0040]FPGA的随机位提取电路如图3所示，由SPCM输出的单光子随机脉冲和外部恒温时钟信号，输入FPGA随机位提取电路。外部恒温时钟信号经FPGA芯片用内部的数字时钟管理模块来实现倍频，将50MHz的外部恒温晶振时钟信号4倍频为200MHz的高频率时钟，高频率时钟一方面作为FPGA内部所有设计模块工作的统一时钟提高运行速率，一方面经过分频模块后产生等时间间隔的定时信号，时间间隔的大小可根据单光子脉冲的平均计数率的大小调整。SPCM输出的单光子脉冲信号进入FPGA进行边缘检测后输出离散的随机方波脉冲。
[0041]随机位的提取在所设计的控制逻辑状态机的控制下进行，系统复位后，控制逻辑检测到等时间间隔定时信号的上升沿时，16位的计数器清零，并开始对单光子随机脉冲进行计数，当下一个定时信号脉冲到达时，计数器内的值为等时间间隔内光子脉冲的计数值。进行随机位提取的主要时序如图4所示。当定时信号到达时进行以下操作:
[0042](I)将计数器内的值直接存到先进先出存储器2(First In First Out-2,FIFO-2)，以便通过USB2.0接口直接输出等时间间隔内光子数，进行数据分析；
[0043](2)对计数器内的值进行大小判决，如此时计数器的值在预设阈值范围内，则进行偶校验，偶校验采用按位取异或运算的方法实现，若16位计数器的D15?DO中有偶数个“1”，则 D15 ? D14 ? D13 ? …? D2 ? Dl ? DO = 0，若 D15 ?DO 中有奇数个“1”，则D15 ? D14 ? D13田…? D2 ? Dl ? DO = I。将校验值作为所提取的随机位移入移位寄存器;
[0044](3)当向移位寄存器内移入16位后，将移位寄存器的值存到先进先出存储器I (First In First Out-1, FIFO-1)；
[0045](4)如FIFO-1满，通过USB2.0接口模块向计算机发送数据，该数据为系统产生的随机数；
[0046](5)将计数器清零，以便重新开始对单光子随机脉冲进行计数。当下一等时间间隔定时信号到达时，重复上述过程。
【主权项】
1.一种光量子随机源装置，其特征是包括激光二极管、衰减器、单光子计数模块、FPGA随机位提取电路、恒温晶振时钟电路、USB接口和计算机；激光二极管位于衰减器前方，单光子计数模块位于衰减器后方；单光子计数模块、恒温时钟电路与FPGA随机位提取电路相连；FPGA随机位提取电路、USB接口、计算机依次相连； 所述的FPGA随机位提取电路包括倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、FIFO-1存储器、FIF0-2存储器、USB2.0接口和控制逻辑单元； 恒温晶振时钟电路输出的信号输入倍频模块，倍频模块与分频模块和控制逻辑单元相连；单光子计数模块输出的单光子脉冲信号输入到边缘检测模块，边缘检测模块与分频模块和16位计数器相连；16位计数器与偶校验器和FIF0-2存储器相连；偶校验器、移位寄存器、FIF0-1存储器、USB2.0接口依次相连；FIF0_2存储器与USB2.0接口相连；倍频模块、分频模块、边缘检测模块、16位计数器、偶校验器、移位寄存器、FIF0-1存储器和FIF0-2存储器、USB2.0接口和控制逻辑单元相连。2.权利要求1所述的一种光量子随机源装置随机位提取方法，其特征是步骤如下: (1)激光二极管输出激光光束，该激光光束经衰减器衰减后产生离散的单光子序列； (2)离散的单光子序列被单光子计数模块探测到后，输出离散的单光子脉冲信号； (3)恒温晶振时钟电路产生高频率稳定度的时钟信号； (4)将单光子计数模块输出的单光子脉冲信号和恒温晶振时钟信号输入FPGA随机位提取电路； (5)FPGA随机位提取电路提取随机位的步骤依次如下: (5.1)将输入的恒温晶振时钟信号经倍频模块倍频为更高频率时钟，该高频时钟作为FPGA的工作时钟，输入分频模块和控制逻辑单元； (5.2)将倍频后的高频率时钟信号分频为更低频率时钟作为等时间间隔定时信号； (5.3)将输入的单光子脉冲信号进行边缘检测，然后输出离散的随机方波脉冲； (5.4)系统复位后，控制逻辑单元检测到等时间间隔信号的上升沿时，对计数器进行清零； (5.5)计数器开始对单光子随机脉冲进行计数； (5.6)当下一个定时信号脉冲到达时，所述的FPGA随机位提取电路进行以下操作: 1)将计数器内的值直接存到先进先出存储器FIF0-2，以便通过USB2.0接口直接输出等时间间隔内光子数，进行数据分析； 2)对计数器内的值进行大小判决，如此时计数器的值在预设阈值范围内，则输入偶校验器进行偶校验； 3)偶校验采用按位取异或运算的方法实现，若16位计数器的D15?DO中有偶数个“1”，则D15十D14十D13十...十D2十Dl十DO = 0，若D15?DO中有奇数个“I”，则D15 ? D14 ? D13田…? D2 ? Dl ? DO = I。将校验值作为所提取的随机位移入移位寄存器; 4)当移位寄存器满后，将移位寄存器的值存到先进先出存储器FIF0-1； 5)如FIF0-1满，通过USB2.0接口模块向计算机发送数据，该数据为系统产生的随机数； 6)将计数器清零，以便重新开始对单光子随机脉冲进行计数。当下一等时间间隔定时 信号到达时，重复上述过程。
【专利摘要】一种光量子随机源装置及随机位提取方法。所述的装置包括激光二极管、衰减器、单光计数技术模块、FPGA随机位提取电路、恒温晶振时钟电路、USB接口和计算机。激光二极管输出激光光束，该激光光束经衰减器衰减后产生离散的单光子序列，离散的单光子序列被单光子计数模块探测到后，输出离散的单光子脉冲信号。将单光子计数模块输出的单光子随机脉冲和外部恒温时钟信号输入FPGA随机位提取电路。所述的FPGA随机位提取电路通过测量等时间间隔内单光子脉冲数的奇偶性来提取随机位。提取的随机位通过USB2.0接口送至计算机。本发明产生随机数具有随机性好，偏差小无需后续处理，成本低，集成度高等优点。
【IPC分类】G06F7/58
【公开号】CN104881268
【申请号】CN201510255763
【发明人】鄢秋荣, 张华 , 廖庆洪, 周南润, 王慧
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月19日