一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法及装置与流程

本申请涉及信号处理，尤其涉及一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法及装置。

背景技术：

1、量子随机数发生器(quantum random number generator，qrng)可基于量子力学理论内在的随机性产生高速、高质量的真随机序列，可广泛应用于经典密码系统、量子信息系统、信息安全系统、数值计算、统计抽样等场景，提高相关应用或系统的可靠性和安全性。

2、一个典型的qrng系统其工作流程(如图1所示)主要包括4个步骤——量子态制备、量子态探测、离散化采样和数据后处理，具体而言：

3、量子态制备：一般基于量子光源和干涉光路(可选)产生光量子噪声信号，通常其带宽很大(可高达thz量级)；

4、量子态探测：一般基于光电探测器件对光量子噪声信号进行光电转换，输出包含量子随机性的原始随机信号。一般情况下，光量子噪声信号的带宽远超光电探测器件的带宽，因此可等价认为原始随机信号与光电探测器件的带宽bw一致；

5、离散化采样：一般基于比较器、模数转换器等对原始随机信号进行离散化采样，输出原始随机序列。假定离散化采样器件的采样速率为fs、采样位数为n，则原始随机序列的产生速率为n×fs。需要注意，为避免过采样导致原始随机序列的自相关性过高且随机性下降，一般需保证fs≤bw，因此原始随机序列的产生速率受限于如下关系n×fs≤n×bw；

6、数据后处理：一般情况下，原始随机序列都不是理想的均匀分布序列，需进行数据后处理以提取其所蕴含的随机性。具体而言，首先通过熵评估得到原始随机序列的最小熵hmin，然后采用toeplitz哈希、截位异或等方法对原始随机序列进行压缩比例为r的随机性提取操作，输出最终随机序列，其产生速率为s＝r×n×fs。需要注意，根据安全性设计原则须保证r≤hmin/n。因此可知最终随机序列产生速率满足如下关系：s＝r×n×fs≤hmin×bw为提升qrng产生速率，最直接的办法是提升原始随机序列的最小熵hmin或原始随机信号带宽bw。其中hmin完全取决于原始随机信号统计分布特性和采样器件性能参数，需要对二者进行硬件适配才能实现整体性能优化，代价较高且提升空间有限。因此，在实际qrng系统中一般采用高性能光电探测器件(如光电探测器pd、平衡零差探测器bhd等)对宽谱连续型光量子噪声(如真空涨落噪声、激光相位噪声、放大自发辐射噪声等)进行光电转换探测，以有效提升原始随机信号带宽bw，从而显著提升qrng产生速率。通过这种方式，现有qrng系统的探测带宽已可达ghz量级。然而，这种方式对qrng系统的光电探测器件以及信号调理电路的设计水平要求高，其进一步提升难度大。例如，当前基于ingaas的光电探测器虽然探测带宽可达10ghz量级，但是其后端信号调理电路增益带宽积有限，为保证信号带宽，只能降低信号增益，导致原始随机信号幅度减小，从而造成hmin降低。同时，由于需要用到宽谱的连续型量子光源和高性能光电探测器件，系统成本较高，不利于其在大规模实际应用。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法及装置，在不改变光电探测器件硬件的条件下有效提升原始随机序列带宽，从而提升qrng系统的随机数产生速率。

2、本申请实施例提供一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法，包括：

3、在打开和关闭量子态制备模块的量子光源的情况下，分别获取原始随机序列和电噪声序列的频谱函数rs(f)和re(f)，以确定原始随机序列和电噪声序列的信噪比snr，并根据所述信噪比snr确定相应截止频率fc；

4、对所述原始随机序列进行低通滤波，以获得所述截止频率fc范围内的信号分量，并计算截止频率fc范围内原始随机序列的频谱函数h(f)；

5、根据计算的频谱函数h(f)，生成指定频谱响应的数字滤波器g(n)；

6、基于所述数字滤波器g(n)对低通滤波之后的信号进行逆滤波，以增加所述截止频率fc范围内所述原始随机序列的频谱带宽。

7、可选的，确定原始随机序列和电噪声序列的信噪比snr包括：

8、根据预先设定的信号比snr，在频谱函数rs(f)和re(f)的曲线上标定截止频率fc。

9、可选的，根据计算的频谱函数h(f)，生成的数字滤波器g(n)的频谱响应满足g(f)＝1/h(f)。

10、可选的，还包括：

11、对逆滤波后的信号进行熵评估，并根据熵评估结果确定数据处理压缩率；

12、根据确定的数据处理压缩率，对逆滤波后的信号进行随机提取，得到最终随机序列。

13、本申请实施例还提出一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升装置，包括

14、量子态制备模块，用以制备所需量子态；

15、量子态探测模块，用以在打开和关闭其量子光源的情况下，分别得到原始随机信号和电噪声信号；

16、离散化采样模块，用以对原始随机信号和电噪声信号进行离散化采样，分别得到原始随机序列和电噪声序列；

17、频谱分析模块，用以对得到原始随机序列和电噪声序列进行频谱分析，以获得原始随机序列和电噪声序列的频谱函数rs(f)和re(f)；

18、低通滤波模块，用以确定原始随机序列和电噪声序列的信噪比snr，并根据所述信噪比snr确定相应截止频率fc，并对所述原始随机序列进行低通滤波，以获得所述截止频率fc范围内的信号分量；

19、逆滤波模块，用以计算截止频率fc范围内的频谱函数h(f)，根据计算的频谱函数h(f)，生成指定频谱响应的数字滤波器g(n)，利用g(n)对原始随机序列低通滤波后的信号进行逆滤波，以增加所述截止频率fc范围内所述原始随机信号的频谱带宽；

20、数据后处理模块，用于对逆滤波后的信号进行熵评估，依据熵评估结果确定数据后处理压缩率，并对逆滤波后的信号进行随机性提取，得到最终随机序列。

21、本申请实施例通过对探测输出的原始随机信号进行频谱分析，并结合数字信号处理技术，可在不改变光电探测器件硬件的条件下有效提升原始随机序列带宽，从而提升qrng系统的随机数产生速率。

22、上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

技术特征：

1.一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法，其特征在于，确定原始随机序列和电噪声序列的信噪比snr包括：

3.如权利要求1所述的量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法，其特征在于，根据计算的频谱函数h(f)，生成的数字滤波器g(n)的频谱响应满足g(f)＝1/h(f)。

4.如权利要求1所述的量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法，其特征在于，还包括：

5.一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升装置，其特征在于，包括

技术总结
本申请公开了一种量子随机数发生器的熵源频谱带宽提升方法及装置，涉及信号处理技术，包括：在打开和关闭量子态制备模块的量子光源的情况下，分别获取原始随机序列和电噪声序列的频谱函数，以确定原始随机序列和电噪声序列的信噪比，并根据信噪比确定相应截止频率；对原始随机序列进行低通滤波，以获得截止频率范围内的信号分量，并计算截止频率范围内原始随机序列的频谱函数；根据计算的频谱函数，生成指定频谱响应的数字滤波器；基于数字滤波器对低通滤波之后的信号进行逆滤波，以增加截止频率范围内原始随机序列的频谱带宽。本申请的方法能够在不改变光电探测器件硬件的条件下有效提升原始随机序列带宽，从而提升QRNG系统的随机数产生速率。

技术研发人员：杨杰,吴梅,徐兵杰,李扬,黄伟,王恒,盘艳
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23