一种设备无关量子随机数产生器系统及方法与流程

本发明涉及随机数产生领域，具体涉及一种设备无关量子随机数发生器系统及方法。

背景技术

在经典物理中，理论上，只要精确的确定系统的初态与运动规律，便可以准确的预测系统未来的所有状态。而量子力学具有量子态叠加的性质与测量的内禀随机性，在理论上可以产生不同于基于算法或者经典物理过程的伪随机数的真正随机数，即量子随机数，为真正的随机性产生提供了物理基础。因此，通常我们认为基于量子力学的随机数产生装置可以提供随机性超过基于经典力学随机数产生装置的随机数。

在基于量子力学的随机数产生装置(亦即量子随机数产生器)提出后，人们提出了基于各种不同原理的量子随机数发生器。例如基于单光子空间波函数坍缩、基于光子时间维度波函数叠加、基于相位真空涨落噪声等不同原理的量子随机数产生器。

基于单光子空间模式叠加态坍缩引起的量子随机数产生器是一种简单的量子随机数产生器。这种随机数产生器包含单光子源和分束器。光子通过分束器后，处于分束器出口1和出口2的空间模式模式的叠加态。使用单光子探测器在两个出口进行探测，光子会随机坍缩到某一空间模式。根据光子探测的结果，可以产生基于“测量-叠加态坍缩”这一量子力学基本假设的随机数。目前市场上已经有基于类似原理的量子随机数发生器，例如id-quantique公司生产的随机数发生器。

但是需要指出的是，最直接利用量子力学原理的量子随机数产生器不可避免地依赖于理论模型的假设，只有在设备与理论模型完全吻合的情况下才能真正利用量子力学原理产生随机数。例如，上述随机数产生装置需要确保光源是真正的单光子源，分束器可以完美的进行1：1分束，链路与单光子检测装置以100％效率检测到光子，并且整个系统没有任何噪声。同时，这类随机数产生器要求系统的任何一部分装置不能有恶意行为，例如试图通过光源、探测等产生固定模式进行伪造随机数。

在现实条件下，为了能保证产生随机数的随机性与不可预测的性质，需要对随机数产生装置做出一系列假设，对实验环境提出很多要求。一方面，这些要求可能无法实现，例如，我们无法实现真正的单光子源，100％探测效率且无噪声的单光子探测器等；另一方面，作为用户，必须相信制造商采用的所有部件均忠实的实现其功能，并且没有任何恶意伪造、窃听等行为。

为了解决现实环境随机数产生设备不完美的问题，以产生更高安全性的随机数，一种方法是利用基于贝尔不等式破坏的设备无关的量子随机数生成方案。贝尔不等式提供了一种检验经典物理所不具备的量子关联的方法，贝尔不等式的破坏说明系统中存在经典物理无法解释的量子关联。利用这些量子关联，可以产生真正的随机数。设备无关的量子随机数生成方案通过随机抽取测试比特进行不等式的检验，进而根据不等式结果计算可以生成的真正的量子随机数的下限。利用设备无关的量子随机数生成方案产生的随机数可以产生真正量子的随机数，并且达到最高的安全性，即使设备部件由恶意第三方制造，仍然可以保证生成随机数的安全与随机。

设备无关的量子随机数生成具有最高的安全性，但现实系统的不完美可能会降低其真实安全性。设备无关的量子随机数最关键的部分是贝尔不等式的破缺。自贝尔提出在数学上可区分量子与经典的不等式值和，科学家已经就贝尔不等式破缺开展了几十年的实验研究。在对不等式检验的不断深入研究中，研究者发现设备不完美可能带来漏洞，经典的局域隐变量系统可以利用这些漏洞模拟量子力学，破坏贝尔不等式。因此如果设备无关的量子随机数系统采用的不等式测量装置中存在这些漏洞，器件不完美可能通过漏洞影响生成随机数的性质，攻击者也可能利用漏洞控制生成的随机数。

贝尔不等式检验实验中可能存在的漏洞主要包括探测效率不够高引起的效率漏洞，探测装置可能相互影响造成的局域性漏洞，以及光源、探测与基矢选择可能存在相互关联引起的自由选择漏洞。在前些年进行的设备无关的量子随机数生成实验尝试中，通常进行某些妥协，例如因为系统效率无法达到理论需求而必须进行均匀采样的假设、对源或测量的安全性做出假设、在理论分析中采用独立同分布(i.i.d.)假设，等等。这些假设均大大削弱该类方案实验实现的安全性与最终随机数的随机性。

在贝尔不等式提出后的几十年，研究者认为最终在实验上关闭所有可能的漏洞，即进行无漏洞的贝尔不等式检验，可以避免上述设备不完美的漏洞，最终实现真正的量子物理验证。利用无漏洞的贝尔不等式进行量子随机数生成，可以完全避免设备不完美，真正实现设备无关的量子随机数生成。

但无漏洞的贝尔不等式检测对实验系统性能要求极高，通常要求纠缠光子产生、收集、传输、调制到最终探测的总效率不低于72％；光源与探测距离保持至少几十米的距离，以保证类空关系；同时采用可信的随机数随机数产生装置，以便保证随机选择基矢。在贝尔不等式提出几十年后，直到在2015年，荷兰，美国及奥地利的实验小组才分别首次在实验上进行了无漏洞的不等式检测。设备无关的随机数产生基于无漏洞的贝尔不等式，但由于需要积累不等式破坏过程产生的随机性以便进行随机数生成，该方案对性能的要求远高于无漏洞的贝尔不等式。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种设备无关量子随机数产生器系统及方法，其能够实现性能更高的无漏洞的贝尔不等式检测，并用于设备无关的量子随机数产生。在本发明中，纠缠光子的产生、收集、传输、调制到最终探测的总效率不低于78％，且通过设计时空关系保证产生器系统中纠缠源与各测量站之间的类空，并设计高速基矢选择等方案，实现了无漏洞的贝尔不等式检测。

具体而言，本发明在泵浦脉冲产生、高性能光源设计、高系统效率产生、高速基矢选择方案等方面提出了实验验证的具体解决方案，解决了如何进行可触发脉冲的纠缠产生问题，解决了非常高效率的产生、收集、检测纠缠的问题，解决了进行高效率纠缠产生、收集、检测同时，保证光源与测量站类空间隔的问题，解决了高速基矢选择与测量的问题，因而能够产生真正基于量子物理的可验证的随机数。

本发明的一个方面涉及一种设备无关的量子随机数产生器系统，其可以包括纠缠源、测量站alice、测量站bob、数据处理中心、以及同步信号源。

所述同步信号源可以被设置成向所述纠缠源、所述测量站alice和所述测量站bob提供同步信号。

所述纠缠源可以被设置成产生纠缠光子对，并将所述纠缠光子对分发给所述测量站alice和所述测量站bob。

所述测量站alice包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果。

所述测量站bob包括用于向其提供可信随机数输入的可信随机数种子源，且被设置成接收所述纠缠光子对，根据所述可信随机数随机选择测量基矢并对所述纠缠光子对进行纠缠态测量，并且记录所述选择的测量基矢和相应的纠缠态测量结果。

所述数据处理中心被设置成收集所述可信随机数及相应的纠缠态测量结果，基于所述纠缠态测量结果进行贝尔不等式破坏测试和产生随机数的分析，并通过随机数提取矩阵提取出最终的随机数。

并且，所述纠缠源、所述测量站alice和所述测量站bob被设置成使以下事件满足类空关系：所述测量站alice中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入；所述测量站alice中的所述纠缠态测量与所述测量站bob中的所述纠缠态测量；所述测量站alice或bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述测量站bob或alice中的所述纠缠态测量；以及所述测量站alice和bob中的所述可信随机数种子源提供所述可信随机数的输入与所述纠缠光子对的产生。

进一步地，所述纠缠源可以包括泵浦光源、纠缠光量子态控制模块、以及纠缠光子产生和收集模块。其中，所述泵浦光源被设置成提供用于产生纠缠光子对的泵浦光；所述纠缠光量子态控制模块被设置成对所述泵浦光的偏振态进行控制，以实现对所述纠缠光子对的量子态的控制；所述纠缠光子产生和收集模块被设置成使所述泵浦光基于自发参量下转换作用产生参量光，利用所述参量光的干涉产生所述纠缠光子对，并且对所述纠缠光子对进行收集和输出。

更进一步地，所述泵浦光源可以包括激光器、光脉冲放大器、非线性晶体倍频单元及滤波单元，其中，所述滤波单元提供在所述激光器的波长上的滤波。优选地，所述滤波单元可以包括多个串联的波分复用器。

进一步地，所述纠缠光量子态控制模块可以包括偏振分束器、第一1/4波片、半波片和第二1/4波片。

或者进一步地，所述纠缠光量子态控制模块可以包括偏振分束器、半波片和液晶片；其中，所述偏振分束器被设置成使所述泵浦光起偏，所述半波片被设置成使所述起偏的泵浦光的偏振态变为水平和竖直偏振的叠加，所述液晶片被设置用于控制所述泵浦光的水平和竖直偏振之间的相位差。

进一步地，所述纠缠光子产生和收集模块可以包括：泵浦光输入单元，其用于输入所述泵浦光；纠缠光子产生单元，其包括自发参量下转换晶体，且被设置成使所述泵浦光在所述自发参量下转换晶体内发生参量下转换以生成所述参量光，并使所述参量光发生干涉以产生所述纠缠光子对；以及第一纠缠光子收集单元和第二纠缠光子收集单元，其分别用于收集所述纠缠光子对，并将其朝向所述测量站alice和所述测量站bob输出。

更进一步地，所述泵浦光输入单元可以包括光纤耦合器和非球面镜；其中，所述非球面镜被设置成对所述泵浦光进行准直和/或聚焦，以使所述泵浦光聚焦至所述参量下转换晶体上的模场直径。优选地，所述光纤耦合器可以被设置成利用模场直径为5μm的780nm的光纤输出所述泵浦光；所述非球面镜具有f＝8mm的焦距；所述光纤耦合器和所述非球面镜被布置成使高斯光束模式的所述泵浦光具有180μm的束腰，且所述束腰距离所述用于输出所述泵浦光的光纤的出口70cm。

进一步地，所述泵浦光输入单元和所述纠缠光子产生单元之间设置有所述纠缠光量子态控制模块。

进一步地，所述纠缠光子产生单元还可以包括第一双波长反射镜、第二双波长反射镜、双波长半波片、以及双波长的偏振分束器；所述第一双波长反射镜、所述第二双波长反射镜和所述双波长的偏振分束器被设置形成三角形的萨格奈克环，其中，所述第一双波长反射镜和所述第二双波长反射镜具有22.5度的入射角，所述自发参量下转换晶体位于所述三角形的长边中间位置，所述双波长半波片光轴方向与水平方向夹角45度。

优选地，所述自发参量下转换晶体为ppktp晶体；并且/或者所述泵浦光输入单元和所述纠缠光子产生单元布置成使所述泵浦光的束腰位置与所述自发参量下转换晶体的中心重合。

进一步地，所述纠缠光子收集单元可以包括：光纤耦合器；球面镜和非球面镜组，其用于调节所述参量光的模场直径；以及滤波单元，其用于对所述参量光提供在所述泵浦光波长上的滤波。优选地，所述光纤耦合器可以被设置成利用模场直径为10.4μm的1560nm的单模光纤收集并输出所述参量光；所述球面镜和非球面镜组包括焦距为f＝11mm的非球面镜和焦距为f＝175mm的球面镜，且设置成使所述参量光的收集束腰半径约为85μm，且束腰与所述自发参量下转换晶体中心重合，所述非球面镜和所述球面镜与所述1560nm的单模光纤的距离分别为11mm和19cm，且所述球面镜与所述参量光所述收集束腰相距45cm。优选地，所述滤波单元可以包括一个或多个双色镜，或者镀有参量光波长增透膜的硅片。

进一步地，所述测量站alice和bob还分别包括：基矢选择模块，其用于根据所述可信随机数随机选择测量基矢；测量模块，其利用单光子探测器在所述测量基矢下对所述纠缠光子对进行纠缠态测量；以及数据记录模块，其用于记录所述选择的测量基矢及相应的纠缠态测量结果，其中，所述测量站alice中的所述测量基矢包括x0和x1，所述测量站bob中的所述测量基矢包括y0和y1。

更进一步地，所述基矢选择模块包括泡克尔盒及其驱动器，以及偏振参考系调节单元；其中，所述泡克尔盒的驱动器根据所述可信随机数使所述泡克尔盒提供不同的偏振调制，所述偏振参考系调节单元提供偏振补偿，以便能够基于所述泡克尔盒提供的所述不同偏振调制实现根据所述可信随机数对所述测量基矢的随机选择。

优选地，所述偏振参考系调节单元包括偏振控制器、1/2波片和1/4波片；其中，在所述测量站alice中，所述偏振控制器被设置成使偏振光的偏振方向发生45°-(x0+x1)/2的旋转，在所述测量站bob中，所述偏振控制器被设置成使偏振光的偏振方向发生45°-(y0+y1)/2的旋转。

优选地，在对应所述纠缠源的偏振方向的坐标系下，所述测量基矢x0＝-83.5°，所述测量基矢x1＝-119.4°，所述测量基矢y0＝6.5°，所述测量基矢y1＝-29.4°。

进一步地，所述测量模块还包括设置于所述单光子探测器之前的偏振分束器。

优选地，所述单光子探测器是超导纳米线单光子探测器。

优选地，所述测量站还可以包括光学准直及聚焦单元和/或滤波单元。其中，所述光学准直及聚焦单元优选包括一个或多个非球面镜。更优选地，所述非球面镜的焦距f＝11mm。

进一步地，所述测量站还可以包括系统光纤延时测量模块，其被设置成基于所述单光子探测器的探测端面上的反射测量所述设备无关的量子随机数产生器系统的光路上存在的延时。优选地，所述系统光纤延时测量模块可以被设置成以所述同步信号为基准，统计所述单光子探测器在不同延时位置上的探测概率来测量所述延时。

进一步地，所述纠缠源、所述测量站alice和所述测量站bob可以被设置成满足以下两组关系式：

和

其中，te为所述纠缠源输出的脉冲宽度，tqrng为所述可信随机数种子源自接受触发信号到产生所述可信随机数所需要的时间，tdelay为所述可信随机数种子源产生所述可信随机数到向所述泡克尔盒输出用于基矢选择的脉冲所需的等待时间，tpc为所述泡克尔盒接受触发信号到提供所述偏振调制所需要的延时，tm为光脉冲受到所述泡克尔盒调制到所述单光子探测器输出信号的延时，|sa|为所述测量站alice与所述纠缠源的空间距离，|sb|为所述测量站bob与所述纠缠源的空间距离，c为光速，下标1和2分别代表所述测量站alice和所述测量站bob。

优选地，tqrng1＝tqrng2＝96ns；tdelay1＝270ns,tdelay2＝230ns；tpc1＝112ns,tpc2＝100ns；tm1＝50ns,tm2＝100ns；所述测量站alice和所述测量站bob与所述纠缠源的空间距离分别为93米和90米；所述测量站alice和所述测量站bob与所述纠缠源之间的光纤的长度分别为132米和119米。

进一步地，所述数据处理中心可以被设置成：对n个所述纠缠态测量结果进行贝尔不等式测试，如果所述纠缠态测量结果破坏了贝尔不等式且满足预设的不等式破坏量，则保留所述纠缠态测量结果；如果所述纠缠态测量结果未破坏贝尔不等式，则抛弃所述纠缠态测量结果，其中，n为大于0的自然数；并且利用toeplitz矩阵对所述保留的纠缠态测量结果进行随机数提取，以产生设备无关的量子随机数。

进一步地，所述数据处理中心还可以被设置成利用最小平滑熵计算所述n轮测试中可获得的最小熵积累。

本发明的另一方面还涉及一种基于上述设备无关的量子随机数产生器系统生成设备无关量子随机数的方法。

附图说明

图1示出了根据本发明的设备无关量子随机数发生器系统的框架图；

图2示意性地示出了根据本发明的泵浦光源的一个示例性实施例；

图3a示意性地示出了根据本发明的纠缠光量子态控制模块的一个示例性实施例；

图3b示意性地示出了根据本发明的纠缠光量子态控制模块的另一示例性实施例；

图4示意性地示出了根据本发明的纠缠光子产生和收集模块的一个示例性实施例；

图5示出了根据本发明的测量站的一个示例性实施例；

图6示出了根据本发明的纠缠源与两个测量站各个事件的时空关系图；以及

图7示出了关于本发明的测量站alice的光学反射柱形图。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图1示出了根据本发明的设备无关量子随机数发生器系统的框架图。如图所示，该设备无关量子随机数发生器系统可以包括同步信号源、纠缠源、测量站alice和测量站bob、以及数据处理中心。

同步信号源用于向纠缠源和两个测量站提供同步触发信号。

纠缠源用于纠缠光子对的产生和分发，且通过连接光路与测量站alice和bob相连。在本发明中，该连接光路可以为自由空间或光纤，但并不局限于此。

测量站包括可信随机数种子源，其用于向测量站提供可信的随机数输入。在本发明中，可信随机数种子源可以是任何能提供可信随机数的来源，例如，其可以是由可信的设备厂商制造的随机数产生设备，或者是输入的由信任厂家或者用户自己准备的具有一定随机数的一段数据。测量站接收由纠缠源分发的纠缠光子对，根据可信随机数种子源提供的可信随机数选择测量基矢并对纠缠态进行测量，以及输出纠缠态测量结果。

根据本发明，测量站可以包括测量模块、基矢选择模块、以及数据记录模块。其中，基矢选择模块用于随机选择测量基矢。数据记录模块用于记录基矢的选择和相应的纠缠态测量结果。在本发明的优选示例中，基矢选择模块可以包括泡克尔盒及其驱动器，其中，驱动器根据随机数种子源输入的随机数向泡克尔盒施加不同的驱动信号，从而实现测量基矢的切换，这将在下文中进行更为详细的描述。作为优选示例，数据记录模块可以包括时间数字转换器。

数据处理中心收集由随机数种子源向测量站输入的可信随机数以及相应的纠缠态测量结果，进行贝尔不等式破坏和产生随机数的分析，并通过诸如toeplitz矩阵等随机数提取矩阵提取出随机数，即最终输出的设备无关的量子随机数。

图2-4用于说明本发明的纠缠源的结构，其中：图2示意性地示出了根据本发明的泵浦光源的示例性实施例；图3a和3b分别示出了根据本发明的纠缠光量子态控制模块的两个示例性实施例；图4示出了根据本发明的纠缠光子对产生和收集模块的示例性实施例。

本发明的纠缠源可以包括泵浦光源，纠缠光量子态控制模块，以及纠缠光子产生和收集模块。

如图2所示，泵浦光源可以包括激光器、光脉冲放大器、非线性晶体倍频单元及滤波单元，从而以脉冲倍频的方式产生短波长的泵浦光。

在泵浦光源中，激光器经直接调制或者外部调制输出长波长的周期性窄脉冲，其将在后续过程中作为种子光使用。在本发明的优选示例中，该窄脉冲可以具有1ns的脉冲宽度和200khz的周期频率，且为了有利于纠缠态光子在光纤中的传播，激光器的波长可以取为1560nm，以便最终能够经自发参量下转换产生波长在1560nm附近的纠缠光子。

光脉冲放大器接收种子光，并且对其进行功率放大。作为优选示例，光脉冲放大器可以为掺铒光纤放大器(edfa)。

经功率放大的种子光进入非线性晶体倍频单元中并发生倍频过程。在本发明的优选示例中，1560nm的种子光经过非线性晶体倍频单元后变为780nm的光脉冲。优选地，非线性晶体倍频单元可以由ppln晶体或者波导来实现。

经倍频处理后生成的短波长的周期性窄脉冲经过滤波单元受到滤波处理。作为优选示例，滤波单元在所述长波长上提供高消光比的滤波效果，例如滤波单元可以在1560nm波长上提供高消光比的滤波，从而输出纯净的波长为780nm的周期性窄脉冲，即为泵浦光源输出的泵浦光脉冲。优选地，滤波单元可以包括波分复用器(wdm)，例如多级串联的波分复用器(dwmd)。

由于在本发明的设备无关量子随机数产生器系统中，泵浦光的偏振态与纠缠光子的量子态直接相关，因此，本发明的纠缠光量子态控制模块被设置用于对泵浦光的偏振态进行控制，进而实现对纠缠光量子态的控制。例如，通过控制泵浦光使其具有偏振态则基于该泵浦光可以相应地产生量子态为的纠缠光子。

图3a示出了本发明的纠缠光量子态控制模块的一种示例性实施例。如图所示，该纠缠光量子态控制模块可以包括保偏偏振分束器、第一1/4波片、1/2波片和第二1/4波片。

图3b示出了本发明的纠缠光量子态控制模块的另一示例性实施例。如图所示，该纠缠光量子态控制模块可以包括保偏偏振分束器、1/2波片和液晶片。泵浦光首先经由保偏偏振分束器起偏；经过1/2玻片后，其偏振态变为水平与竖直偏振的叠加，即φ＝cosθ|h>+sinθ|v>(相当于调节参数θ)；最后，借助液晶片控制水平与竖直分量间的相位差，使其偏振态变为(即调节参数)。与图3a的实施例相比，图3b中的纠缠光量子态控制模块具有独立调节参数θ和的能力，可以使得能够更为容易地制备特定的量子态。

图4示出了本发明的纠缠光子产生和收集模块的一个示例性实施例。如图所示，该纠缠光子产生和收集模块可以包括泵浦光输入单元、第一纠缠光子收集单元、第二纠缠光子收集单元、以及纠缠光子产生单元。

泵浦光输入单元可以包括光纤耦合器以及用于对泵浦光进行准直和/或聚焦的非球面镜。作为优选示例，非球面镜可以被设置成使泵浦光聚焦至纠缠光子产生单元中的参量下转换晶体上的模场直径。在优选示例中，光纤耦合器可以被设置成利用模场直径为5μm的780nm的(hp)光纤输出泵浦光；非球面镜可以被设置成具有f＝8mm的焦距，以对泵浦光进行高斯光束模式变化；并且，光纤耦合器和非球面镜可以被布置成使为高斯光束模式的泵浦光的束腰距离泵浦光输出光纤的出口70cm，且具有180μm的束腰。

优选地，用于输出泵浦光的单模光纤可以镀有高透膜(ar)，以提高泵浦光透过率，同时防止反射噪声。

如图4所示，在优选示例中，在泵浦光输入单元和纠缠光子产生单元之间可以设置有纠缠光量子态控制模块，以对泵浦光的偏振态进行控制，进而控制纠缠光子产生单元所产生的纠缠光子的量子态。

纠缠光子产生单元可以包括自发参量下转换晶体、第一双波长反射镜、第二双波长反射镜、双波长半波片、以及双波长的保偏偏振分束器。此处，“双波长”可以包括泵浦光波长和参量光波长。

自发参量下转换晶体可以接收泵浦光，并且使其发生自发参量下转换过程，从而产生参量光。作为优选示例，自发参量下转换晶体可以为ppktp晶体。且优选地，泵浦光输入单元和纠缠光子产生单元可以被布置成使泵浦光的束腰位置与自发参量下转换晶体(例如ppktp晶体)的中心重合。

在本发明中，第一双波长反射镜、第二双波长反射镜和双波长的保偏偏振分束器被设置形成三角形的sagnac环，其中，第一双波长反射镜和第二双波长反射镜具有22.5度的入射角，自发参量下转换晶体(ppktp晶体)位于三角形的长边中间位置，双波长半波片光轴方向与水平方向夹角45度。

在工作过程中，泵浦光脉冲经偏振分束器成为两个泵浦光脉冲分量，其中经透射输出的为水平偏振分量，经反射输出的为竖直偏振分量。竖直偏振的泵浦光脉冲分量经过半波片转换为水平偏振。均为水平偏振的两个泵浦光脉冲分量经第一和第二双波长反射镜反射之后，分别沿正向和反向输入ppktp晶体并发生自发参量下转换过程，从而分别以一定的概率产生参量光(hv)，其包括一个水平偏振(h)和一个竖直偏振(v)的光子。最后，由。ng入至光的光透过率并纤耦合器和非球面镜，其中，

13131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313经由偏振分束器透射的泵浦光产生的参量光经过半波片之后，与经偏振分束器反射的泵浦光产生的参量光在偏振分束器处发生干涉，从而产生纠缠态，即：

为了改善干涉对比度，在纠缠光子产生单元中，还优选针对参量光(信号光)波长对偏振分束器、反射镜、半波片及ppktp晶体等双波长镀膜器件进行增透镀膜性能的优化处理，例如在1560nm的波长上进行增透镀膜处理。相比之下，针对泵浦光波长(例如780nm)的镀膜效率和性能要求可以降低，这是因为随机数产生器系统的关键性能均是针对参量光进行优化的，而有关泵浦光波长的误差不会造成参量光的错误。

继续参见图4，纠缠光子收集单元用于收集纠缠光子产生单元输出的干涉结果，其可以包括光纤耦合器、用于调节收集参量光的模场直径的球面镜和非球面镜组、以及用于对参量光进行滤波以消除泵浦光成分的滤波单元。

作为优选示例，光纤耦合器可以被设置成利用模场直径为10.4μm的1560nm的单模光纤收集并输出参量光。球面镜和非球面镜组可以包括一个焦距为f＝11mm的非球面镜和一个焦距为f＝175mm的球面镜，且设置成使：参量光的收集束腰半径约为85μm且束腰与pptkp晶体中心重合；非球面镜和球面镜与上述收集参量光的单模光纤的距离分别为约11mm和19cm，且球面镜与参量光的收集束腰相距约45cm。

作为优选示例，滤波单元可以包括一个或多个双色镜(dm)和/或镀有参量光波长增透膜的硅片。优选地，双色镜的数量可以为4个。

纠缠光子产生和收集模块输出的纠缠光子经镀膜光纤分发至测量站alice和bob。在测量站中，根据由可信随机数种子源输入的随机数进行测量基矢的随机选择，并对纠缠光子进行测量。

图5示出了根据本发明的测量站的一个示例性实施例。

如前所述，测量站可以包括测量模块、基矢选择模块和数据记录模块。

在优选示例中，基矢选择模块可以包括泡克尔盒及其驱动器，以及偏振参考系调节单元。

泡克尔盒的驱动器根据可信随机数种子源提供的随机数(例如比特0或1)向泡克尔盒施加不同的驱动信号，使其在光子上提供不同的偏振调制，例如施加或不施加调制，从而实现基矢的快速切换。作为示例，当输入的随机数为0时，泡克尔盒不对光子进行调制，其此时相当于一块玻璃片；当输入的随机数为比特1，泡克尔盒的驱动器将产生一个高压脉冲，从而驱动泡克尔盒在水平与竖直方向产生半波延迟，其此时相当于光轴角度为45°的半波片。

由于光子在系统中传播时，作为光纤信道的单模光纤会对其中传输的光子进行酉变换，改变其偏振状态；另一方面，由于在测量站内利用泡克尔盒实现基矢选择，而45°方向的泡克尔盒仅能提供0延时与45°的半波片之间的切换，因此，还需要设置偏振参考系调节单元来配合泡克尔盒实现两个测量基矢之间的切换。

如图5所示，在一个优选示例中，偏振参考系调节单元可以包括偏振控制器(未示出)、1/2波片和1/4波片。下面将以举例的方式描述图5所示的偏振参考系调节单元的优化设计过程来说明其工作原理。

假设经优化确定，在采用对应光源偏振方向的坐标系的情况下，测量站alice的两个测量基矢为x0和x1，测量站bob的两个测量基矢为y0和y1。在该优选示例中，x0＝-83.5°，x1＝-119.4°；y0＝6.5°，y1＝-29.4°。

如前所述，泡克尔盒不加电压的时候等价于一个各项同性的玻片，对输入偏振不起任何调制作用；在加半波电压的时候，泡克尔盒等价于一个45度放置的半波片，将改变输入的偏振。

在图5所示的偏振参考系调节单元中，为了利用泡克尔盒在两个基矢(x0和x1)间进行切换，可以将偏振控制器设置成保证光源处偏振方向为(x0+x1)/2的线偏光在泡克尔盒处被旋转成偏振方向为45°的线偏光。即，偏振控制器可以被设置成使偏振光的偏振方向发生45°-(x0+x1)/2的旋转，此时，偏振方向为θ的线偏振光经偏振控制器后偏振方向旋转为θ+45°-(x0+x1)/2。随后，借助1/2波片和1/4玻片对偏振方向作进一步调节，从而完成对偏振参考系的调节。

测量模块可以包括偏振分束器和高效率的单光子探测器。光子经基矢选择模块之后，经由偏振分束器之后进入单光子探测器中进行测量。优选地，单光子探测器可以是超导纳米线单光子探测器(snspd)。

数据记录模块记录基矢的选择和相应的纠缠态测量结果。

优选地，测量站还可以包括光学准直和聚焦单元和/或滤波单元。作为示例，光学准直和聚焦单元可以包括一个或多个非球面镜；滤波单元可以包括一个或多个双色镜。优选地，光学准直和聚焦单元可以包括一组焦距f＝11mm的非球面镜，以便提供不低于99％的耦合效率。

设备无关的随机数产生基于无漏洞的贝尔不等式测量，其要求各设备之间不能通信。相对论的一个重要结论是，信息传输的速度不能超过真空中的光速。因此，某事件a只能传输至其未来光锥范围之内。在四维时空中，如果两个事件a、b互相处于其光锥之外，则这两个事件是类空关系，无法进行任何信息传输。利用相对论中类空关系可以从基本物理原理层面最严格的禁止信息的传输。因此，为了实现设备无关的随机数产生，需要保证如下事件类空关系：

(i)测量站alice的随机数产生事件(即可信随机数种子源向测量站提供可信随机数的时刻)与测量站bob的随机数产生；

(ii)测量站alice的测量事件与测量站bob的测量事件；

(iii)测量站alice(bob)的随机数产生与测量站bob(alice)的测量事件；以及

(iv)测量站alice(bob)的随机数产生与纠缠态的产生。

本发明人经研究发现，为了保证测量事件之间满足类空关系，需要满足以下公式一：

为了保证纠缠源与测量基矢的类空关系，需要满足以下公式二：

其中，te为纠缠源的脉冲(即纠缠光脉冲)宽度，tqrng为可信随机数种子源自接受触发信号到产生可信随机数所需要的时间，tdelay为可信随机数种子源产生可信随机数到向基矢选择模块(例如泡克尔盒及其驱动器)输出用于基矢选择的脉冲所需的等待时间，tpc为泡克尔盒接受触发信号到向光信号提供调制所需要的延时，tm为光信号被泡克尔盒调制到单光子探测器(例如snspd)输出信号的延时，|sa|为测量站alice与纠缠源的距离，|sb|为测量站bob与纠缠源的距离，c为光速，下标1和2分别代表所述测量站alice和所述测量站bob。

基于公式一和公式二，可以获得在本发明的设备无关量子随机数产生器系统中，纠缠源与两个测量站各个事件的时空关系图，如图6所示。在图6中，横坐标为空间距离，纵坐标为时间；中间的倾斜实线为纠缠源产生及通过光纤传输至测量站的时间；左右两条竖直线分别为测量站中随机数产生、等待、泡克尔盒准备、纠缠光子测量的事件。

基于公式一、公式二及图6，本发明获得了一组用于实现设备无关量子随机数产生所需要的类空关系的系统参数：tqrng1＝tqrng2＝96ns，tdelay1＝270ns,tdelay2＝230ns,tpc1＝112ns,tpc2＝100ns,tm1＝50ns,tm2＝100ns，测量站alice和bob与纠缠源的空间距离分别为93米和90米，测量站alice和bob与纠缠源之间的光纤的长度分别为132米和119米。

作为替换方式，还可以对测量站和纠缠源进行物理屏蔽，从而在物理层面保证节点间无法通信。

为了保证系统时空关系，需要精确测量系统光路的延时，因此，在设备无关量子随机数产生器系统中还可以包括有系统光纤延时测量模块，其例如可以设置在测量站内。

本发明人经研究发现，在一般单光子探测器的光纤端面或探测端面会有少量部分的光信号反射，例如光子在到达超导单光子探测器中超导纳米线芯片的表面时会产生反射，尤其当输入光子偏振方向不是最优检测偏振方向的时候，反射率会相对比较高。因此，本发明人提出利用光子在探测端面的反射来精确测量系统光路上存在的延时。

具体而言，纠缠光子由纠缠源发出，入射至测量站内的单光子探测器。在单光子探测器处，该光子以比较大的概率被探测，产生一个电信号；或者以比较小的概率，该光子被芯片表面反射，通过原光路返回至纠缠源。经过sagnac环，该光子原路返回至单光子探测器，再次以一定概率产生电信号。该信号与第一次探测电信号的延迟，即为光子两次经过信号光链路光纤(包括完整的sagnac环)所需的时间。由于此时光子仍然有一定概率反射，光子可能在两倍、三倍该延时的时间产生探测响应。由于每次纠缠光子均为单光子水平的光信号，上述探测响应均为概率性的。以系统同步信号为基准，统计不同延时位置的探测概率，即可获得上述第一次信号探测、光信号被反射，经过两倍(四倍、六倍..)光纤延时后探测的信号。

图7示出了本发明的测量站alice处发生的光学反射柱形图，其中，位置272ns的脉冲为相对于同步信号第一次探测到光信号的延时；301ns的脉冲为探测器甄别等原因造成的噪声脉冲；1675ns的脉冲为光信号在探测器端面反射，经过链路再次回到探测器端面后产生的探测信号。类似的，3078ns和4481ns的脉冲分别为光子再一/二次经过反射后产生的探测信号。

基于上述原理，本发明的系统光纤延时测量模块可以被设置成基于光子在单光子探测器的探测端面上的反射来测量系统光路上存在的延时；具体而言，可以以系统同步信号为基准，统计不同延时位置的探测概率来测量系统光路上存在的延时。通过这种方式，可以在不修改纠缠产生和探测系统的条件下测量路径光纤延时，以进行设备无关随机数所需要的时空关系分析。

继续参见图1，测量站将有关基矢选择和相应纠缠态测量结果的记录发送给数据处理中心。

在数据处理中心中，利用记录的结果进行贝尔不等式测试，并且统计测量结果是否破坏贝尔不等式。

在本发明中，需要重复纠缠光子对的产生和分发、测量站随机选用不同基矢对纠缠光子对进行测量、以及记录探测器测量结果的过程。如果测量结果破坏了贝尔不等式，且满足预设的不等式破坏量，则保留测量结果，并进行下一步随机性分析；如果测量结果不能破坏贝尔不等式，则抛弃该测量结果。

由于每一个脉冲最多产生一个比特的测量结果，因此，在本发明的系统中，需要积累很多个脉冲的贝尔不等式实验结果(例如10^13个脉冲)进行统计，才能得到最终不等式测量结果。

最后，利用toeplitz矩阵对保留的记录数据进行随机提取，从而产生最终的量子随机数。

由于在本发明中，通过将在纠缠源制备的纠缠光子对分发至满足类空关系的两个测量站进行贝尔测量来检验是否有攻击者进行窃听或干扰，如果测量结果显示贝尔不等式被破坏，则随机数产生系统安全，可以产生安全的量子随机数；反之，证明系统不安全，终止随机数的生成，即可保证不会有信息泄露，因此，本发明的设备无关量子随机数产生器系统最终产生的量子随机数始终是安全可靠的，用户只需要完全掌握输入随机数与探测结果的分析，即可保证生成随机数的安全性与随机性。纠缠的产生、调制与测量操作均可以使用第三方设备，这些设备可以进行任意操作，甚至恶意操作，但用户根据输出结果总是可以获得安全的随机数。

下面将进一步说明在本发明的数据处理中心中，关于设备无关量子随机数的确定及产额的计算。

如上所述，纠缠源用来产生纠缠态光子并发送至测量站。在两个测量站alice和bob中，分别根据由可信随机数种子源输入的随机数进行测量基矢的选择。例如，在第i轮测试中，输入测量站alice的可信随机数为ai＝0(1)，则相应选择基矢0(1)对到达的光子进行测量；测量站bob也进行相同操作，在与输入的可信随机数bi对应的测量基矢下对到达的光子进行测量。在该轮测试中，如果测量站alice(bob)的测量模块(例如其中的单光子探测器)有探测到光子，则计输出为xi(yi)＝1,否则为0。

相应地，数据处理中心对该轮测试中的测量结果进行测试，其chsh测试结果为：

n轮测试后，数据处理中心对chsh测试结果ji进行统计计算，得到以下结果：

一般而言，局域隐变量理论只能获得的结果，而说明该系统不能使用局域隐变量理论解释，进而说明该系统包含不可预测、不可预先决定的量子随机性(即，该结果破坏贝尔不等式)。

下一步，使用最小平滑熵计算这n轮测试数据中可获得的最小熵积累(即随机数的量)：

其中，∈s为平滑熵因子，∈ea为熵积累方案的失败概率，作为参考，可以取值ωexp为实验期望的不等式破坏量，可以简单取值ropt(∈s，∈ea，ωexp)为每轮随机数产生过程平均产生的随机量，其下限将在下面给出。

对于通过n轮测试最终生成的总量为的随机数，可以通过随机数提取矩阵(toeplitz矩阵)生成最终的随机数。对于失败概率为的提取过程，最终生成的随机数总量为其中可以取te＝100，此时生成随机数的失败概率(即，不能保证任何窃听者无法获得、猜测、预知信息的概率)为

为了计算随机数生成量还需要定义以下优化函数：

平均每轮生成的随机量ropt(∈s，∈ea，ωexp)为针对参数pt的优化结果：

其中，δest为统计置信度，可以简单的取值为参数p和g是优化使用的参数，参数pt是需要历遍的随机变量。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。