一种量子随机数发生器的制作方法

本实用新型涉及量子随机数生成技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器。

背景技术：

随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色，现代社会中有很多用到随机数的场合。具体而言，在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。但是，现有技术中所使用的经典方法一般只能产生伪随机数，即往往是基于某些算法产生的伪随机数，这些伪随机数是可以被预测的。而且，从其原理上来看，伪随机数实际上只是“看起来像”随机数，也就是说，以现在的科学技术水平，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数与真随机数之间的不同。但是，由于从本质上来看，伪随机数与真随机数的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数，从而无法在安全通讯(例如，量子通信)等领域里保证绝对的安全性。

根据物理过程的随机性，例如使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样产生的随机数不会随着计算能力的发展而产生风险，但其随机性并没有从本质上得到保证。

根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，比如利用单光子探测、量子非局域性和真空态的统计涨落都已经实验成功。同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantique system，已经进入市场。但是，值得指出的是，这些量子随机数产生器都不可避免地依赖于对模型的假设，以及对设备装置完美的要求。

在现有技术中，主要是采用对已知源直接进行量子测量的方法，来产生由量子力学原理保障的真随机数。例如，根据ID-Quantique随机数发生器的白皮书所述，发光二极管向分束器(Beam Splitter)发射单光子，并由两个单光子探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单光子会透射还是反射本质上是一个量子效应，因而得到真随机数。

但是，现有技术中的量子随机数发生器大多采用单光子探测的方法，不仅需要相信光源的随机性，而且最终的随机数产生速率也受到单光子探测器死时间(dead time)的制约。因此，在实际应用中，很难在实际中保证源包含足够的量子随机性，由此产生的随机数也没有得到保障。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种量子随机数发生器，从而可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。

本实用新型的技术方案具体是这样实现的：

一种量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：单光子源、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

所述单光子源，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；

所述单光子源的输出端与所述第一分束器的输入端连接；

所述第一分束器的第一输出端通过等离子体介质与所述第一单光子探测器连接；所述第一分束器的第二输出端与所述第二单光子探测器连接；

所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端。

较佳的，第一单光子探测器和第二单光子探测器均为具有分辨光子到达时间功能的单光子探测器。

较佳的，所述第二单光子探测器，还用于测量单光子脉冲的到达时间；

所述第一单光子探测器，还用于通过测量单光子的到达时间来计算出单光子脉冲的中心频率。

较佳的，当所述第一单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第二单光子探测器的输出端为随机性检验端；

当所述第二单光子探测器的输出端为随机数输出端时，所述第一单光子探测器的输出端为随机性检验端。

较佳的，所述单光子源包括：中心频率调制器、发射时间调制器、第二分束器和触发器；

所述中心频率调制器，用于输出频率调制的单光子脉冲；

所述发射时间调制器，用于输出时间调制的单光子脉冲；

所述触发器分别与所述中心频率调制器和发射时间调制器连接，用于随机触发所述中心频率调制器或发射时间调制器向所述第二分束器输出单光子脉冲；

所述第二分束器的第一输入端与所述中心频率调制器的输出端连接；所述第二分束器的第二输入端与所述发射时间调制器S2的输出端连接；所述第二分束器的输出端与所述第一分束器的输入端连接。

较佳的，所述中心频率调制器和发射时间调制器均为脉冲激光器。

由上述技术方案可见，在本实用新型的量子随机数发生器中，由于单光子源可以随机地输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲，并使用分束器将频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲等概率地输出至第一单光子探测器或第二单光子探测器，因此，可以从第一单光子探测器和第二单光子探测器中任意选择一个输出端作为随机数输出端，并根据随机数输出端输出的测量结果生成随机数。

由此可知，本实用新型中的量子随机数发生器中，可以随机测量单光子脉冲的到达时间和中心频率，最终所生成随机数的随机性由量子力学原理中的不确定关系这一基本定律保证，可以得到真正的随机数，而不需要对光源进行任何假设，光源的随机性是自检测的，与光源的具体实现无关(即源无关，所使用的光源可以是任意的)，从而在获取随机数的同时保证了源的正确性，使得所获得的随机数为真随机数，因此可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。同时，本实用新型中采用连续变量中的单光子脉冲时间和频率的测量来产生随机数，使用连续变量传递信息，增加了每个光子携带的信息量，因此可以增加随机数产生率；另外，时间和频率这两个物理量都是具体可测的物理量，因此可以直接利用相应的测量装置，而不需要使用零拍探测技术，使用简便，成本较低。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。

图2为本实用新型的一个具体实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。如图2所示，本实用新型实施例中的量子随机数发生器包括：单光子源11、第一分束器12、第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2；

所述单光子源11，用于随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲；

所述单光子源11的输出端111与所述第一分束器12的输入端120连接；

所述第一分束器12的第一输出端121通过等离子体介质13与所述第一单光子探测器D1连接；所述第一分束器12的第二输出端122与所述第二单光子探测器D2连接；

所述第一单光子探测器D1的输出端为随机数输出端；或者，所述第二单光子探测器D2的输出端为随机数输出端。

根据量子力学的基本理论可知，当单光子通过分束器时，在分束器的透射方向(例如，第一分束器12的第一输出端121)和反射方向(例如，第一分束器12的第二输出端122)放置的单光子探测器将以相等的概率探测到光子。

在本实用新型的技术方案中，上述的单光子源可以随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲，且该单光子源的输出端与第一分束器的输入端连接；因此，根据量子力学原理可知，单光子源随机输出的单光子脉冲从第一分束器的输入端进入之后，将有1/2的概率从第一分束器的第一输出端输出至第一单光子探测器D1，也有1/2的概率从第一分束器的第二输出端输出至第二单光子探测器D2，即单光子源随机输出的单光子脉冲在经过第一分束器之后，该单光子脉冲将随机地输出至第一单光子探测器D1或第二单光子探测器D2，因此，从上述随机数输出端所得到的随机数是真正随机的真随机数，其随机性可以得到量子力学原理的支持和保证。

较佳的，在本实用新型的具体实施例中，第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2均为具有分辨光子到达时间功能的单光子探测器。

另外，在本实用新型的技术方案中，第一分束器的第二输出端是与第二单光子探测器D2直接连接，而第一分束器的第一输出端并不是直接与第一单光子探测器D1连接，而是通过等离子体介质与第一单光子探测器D1连接。

所述等离子体介质也可称为色散介质，不同频率的电磁波通过等离子体介质时会发生色散效应，因此，频率分别为ν₁和ν₂的两束电磁波穿过一段等离子体介质后到达时间差Δt为：

也就是说，由于不同频率的电磁波在等离子体中群速度不同，因此导致不同频率的电磁波(例如，不同频率的单光子脉冲)穿过等离子体介质并到达第一单光子探测器D1所需的时间不同。利用等离子体介质的这一物理特性，就可以通过测量单光子脉冲的到达时间来计算出单光子脉冲的中心频率。

因此，与第一分束器的第二输出端直接连接的第二单光子探测器D2可以用来测量单光子脉冲的到达时间，而与第一分束器的第一输出端通过等离子体介质连接的第一单光子探测器D1，则可利用等离子体介质的色散效应，通过测量单光子的到达时间来计算出单光子脉冲的中心频率。

所以，在本实用新型的技术方案中，既可以将第一单光子探测器D1的输出端作为随机数输出端，也可以将第二单光子探测器D2的输出端作为随机数输出端，即可以任意选择两个单光子探测器中的一个单光子探测器的被测物理量(即测量结果，例如，单光子脉冲的到达时间)作为随机数的原始数据，而将另一个单光子探测器的被测物理量(即测量结果，例如，单光子脉冲的中心频率)用来做随机性检验，以验证从随机数输出端输出的随机数的随机性。

因此，较佳的，在本实用新型的技术方案中，当所述第一单光子探测器D1的输出端为随机数输出端时，所述第二单光子探测器D2的输出端为随机性检验端；当所述第二单光子探测器D2的输出端为随机数输出端时，所述第一单光子探测器D1的输出端为随机性检验端。

通过使用上述的量子随机数发生器，即可从上述的随机数输出端得到随机数。所得到的随机数是真随机数，其随机性可以得到量子力学原理的支持和保证。

另外，在本实用新型的技术方案中，可以使用多种方式来实现上述的单光子源，使得该单光子源可以真正地随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲。以下将以其中的一种实现方式为例，对本实用新型的技术方案进行详细的介绍。

例如，图2为本实用新型的一个具体实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。如图2所示，在本实用新型的一个较佳实施例中，所述单光子源11可以包括：中心频率调制器S1、发射时间调制器S2、第二分束器21和触发器22；

所述中心频率调制器S1，用于输出频率调制的单光子脉冲；

所述发射时间调制器S2，用于输出时间调制的单光子脉冲；

所述触发器22分别与所述中心频率调制器S1和发射时间调制器S2连接，用于随机触发所述中心频率调制器S1或发射时间调制器S2向所述第二分束器21输出单光子脉冲；

所述第二分束器21的第一输入端211与所述中心频率调制器S1的输出端连接；所述第二分束器21的第二输入端212与所述发射时间调制器S2的输出端连接；所述第二分束器21的输出端111与所述第一分束器12的输入端120连接。

另外，较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述中心频率调制器S1和发射时间调制器S2均为脉冲激光器。

较佳的，在本实用新型的技术方案中，中心频率调制器S1和发射时间调制器S2的强度可以被调整为每个脉冲包含一个光子，即所输出的均为单光子脉冲。而且，在中心频率调制器S1中，激光器发射脉冲的中心频率被调制，也就是说，该中心频率调制器S1的中心频率为某个固定值，因此，中心频率调制器S1所输出的是频率调制的单光子脉冲；另外，在发射时间调制器S2中，是激光器发射脉冲的发射时间被调制，因此，发射时间调制器S2所输出的是时间调制的单光子脉冲。

根据上述单光子源的结构可知，在本实用新型的技术方案中，中心频率调制器S1可以输出频率调制的单光子脉冲，发射时间调制器S2可以输出时间调制的单光子脉冲，因此，触发器22可以随机触发所述中心频率调制器S1或发射时间调制器S2输出单光子脉冲(即每次触发时，只触发S1或只触发S2，而不会同时S1和S2)，从而实现了随机输出频率调制的单光子脉冲或时间调制的单光子脉冲。

较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述触发器22可以是任何常用的可以进行随机触发的触发器，本实用新型对此不进行限制。例如，在本实用新型的一个具体的较佳实施例中，所述触发器22可以受一个随机输入的控制。该随机输入可以是输入的随机数，该输入的随机数可称为random seed。由于随机数发生器一般要求它的随机性要小于输出随机数的随机性，因此之后可以将输出的随机数的一部分再次作为seed。

另外，在本实用新型中的上述量子随机数发生器中，所述第二分束器的作用实际上是将两束光合为一束光，即用于将所接收的频率调制的单光子脉冲和时间调制的单光子脉冲合为一束发送给所述第一分束器。

在本实用新型中的上述量子随机数发生器中，所述第一分束器的作用实际上是将一束光分为两束光。当所述第一分束器的输入端所接收的单光子时，所述第一分束器将起到单光子开关的作用，即从输入端接收到的单光子将会随机地从两个输出端输出。

在本实用新型中，可以将随机数输出端输出的测量结果(例如，单光子脉冲的到达时间)作为随机数的原始数据，并根据随机数输出端的测量结果生成随机数。由于上述随机数输出端输出的测量结果是真正的完全随机的，因此，根据该测量结果所生成的随机数也必然是真随机的随机数。

另外，在本实用新型的技术方案中，在通过上述的随机数输出端输出的测量结果得到随机数的同时，还可以进一步设置随机性检验端，并根据该随机性检验端和随机数输出端输出的测量结果生成检测结果，从而对所生产的随机数进行随机性检验，以验证从随机数输出端输出的随机数的随机性。

例如，所述根据随机数输出端和随机性检验端输出的测量结果生成检测结果可以包括：

步骤41，计算随机性检验端输出的测量结果的香农熵H(ω)。

由于在实际使用的系统中，测量装置都有一定的分辨率，因此，即便是对于连续变量，其测量结果也是离散的。

因此，在本步骤中，可以根据随机性检验端输出的测量结果，计算其香农熵(Shannon entropy)。

在本实用新型的技术方案中，可以使用常用的香农熵计算方法计算得到上述的香农熵H(ω)，因此，具体的计算过程在此不再赘述。

步骤42，根据随机数输出端和随机性检验端输出的测量结果以及所述香农熵，计算得到所生产的随机数的随机性。

根据量子力学中的不确定性原理可知，两个对易关系为常数的物理量A和B具有如下所述的不确定关系：

H(A)+H(B)≥C

其中，C为常数。

因此，可以根据如下所述的公式计算得到所述随机数的随机性H(t)：

H(t)≥C-H(ω)

其中，ω为单光子脉冲的中心频率，t为单光子脉冲的到达时间，H(ω)为随机性检验端输出的测量结果的香农熵，H(t)为随机数输出端输出的测量结果的香农熵。由于测量装置的分辨率限制，尽管ω和t是连续变量，但实际测量得到的结果也是离散化的，因此可以使用上述的离散变量的香农熵计算公式计算得到随机数的随机性H(t)。

综上所述，在本实用新型中的量子随机数发生器中，可以随机测量单光子脉冲的到达时间和中心频率，最终所生成随机数的随机性由量子力学原理中的不确定关系这一基本定律保证，可以得到真正的随机数，而不需要对光源进行任何假设，光源的随机性是自检测的，与光源的具体实现无关(即源无关，所使用的光源可以是任意的)，从而在获取随机数的同时保证了源的正确性，使得所获得的随机数为真随机数，因此可以保证源包含足够的量子随机性，由此而产生的随机数的真随机性也可以得到切实的保障。同时，本实用新型中采用连续变量中的单光子脉冲时间和频率的测量来产生随机数，使用连续变量传递信息，增加了每个光子携带的信息量，因此可以增加随机数产生率；另外，时间和频率这两个物理量都是具体可测的物理量，因此可以直接利用相应的测量装置，而不需要使用零拍探测技术，使用简便，成本较低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。