自偏置量子随机数噪声生成方法及电路与流程

本发明属于集成电路，更具体地，涉及一种自偏置量子随机数噪声生成方法及电路。

背景技术：

1、随机数在信息安全及密码学领域有着很重要的作用。利用确定性的数学算法可产生伪随机数，但是由于具有可被预测性而难以确保信息安全。所以，设计一个具有真随机特点的噪声源具有重要意义。

2、目前已经有很多种量子随机数发生器方案被提出，但是他们大多在设计上需要光源。而光源的稳定性，特别是在能体现出量子特性的条件下，十分难以保障，并且光源本身的搭建导致了整个随机数发生器体系难以集成化。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自偏置量子随机数噪声生成方法及电路，其目的在于不需要光源的情况下，实现集成化的随机数发生器体系。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自偏置量子随机数噪声生成电路，包括：暗计数率反馈控制电路、光电探测器和电流电压转换器，其中：

3、所述暗计数率反馈控制电路，用于产生超过雪崩电压的反向偏置电压，使光电探测器被触发；

4、所述光电探测器，用于被所述超过雪崩电压的反向偏置电压触发，丛而基于暗噪声发生隧穿效应产生脉冲电流；

5、所述电流电压转换器，用于连接所述光电探测器，使所述脉冲电流输出至后级电路并转换成数字信号。

6、本发明的一个实施例中，所述暗计数率反馈控制电路包括暗计数率计数器、判断模块、电压控制寄存器和电荷泵，其中：

7、所述暗计数率计数器，与所述光电探测器的输出相连，用于统计在预设时间内的暗计数率；

8、所述判断模块，用于判断暗计数率和预设值的关系，并通过配置电压控制寄存器以控制电荷泵的反向偏置电压，从而使所述光电探测器在所述反向偏置电压的作用下产生的脉冲电流在期望的暗计数率范围内。

9、本发明的一个实施例中，期望的暗计数率范围具体为：a~b，且a<b。

10、本发明的一个实施例中，所述判断模块具体用于：如果所述暗计数率计数器统计的暗计数率> b，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵降低偏压；如果所述暗计数率计数器统计的在预设值内，即a≦暗计数率≦b，, 判断模块通过配置电压控制寄存器维持电荷泵偏压；如果所述暗计数率计数器统计的暗计数率< a，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵升高偏压。

11、本发明的一个实施例中，基于电荷泵产生的超过雪崩电压的反向偏置电压，使光电探测器产生雪崩触发或者线性触发。

12、本发明的一个实施例中，所述光电探测器为由多个光电探测器构成的光电探测器阵列。

13、本发明的一个实施例中，所述电流电压转换器为淬灭电路。

14、本发明的一个实施例中，所述后级电路连接模数转换电路转换成数字信号。

15、本发明的一个实施例中，所述光电探测器由ingaas/inp/cmos雪崩二极管组成。

16、按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述自偏置量子随机数噪声生成电路的自偏置量子随机数噪声生成方法，包括：

17、（1）在暗计数率反馈控制电路中，判断模块预设一个期望的暗计数率范围，即a~b且a<b；

18、（2）在暗计数率反馈控制电路中，暗计数率计数器统计在在预设时间内的暗计数率；

19、（3）在暗计数率反馈控制电路中，判断模块判断暗计数率和预设值的关系；

20、（4）在暗计数率反馈控制电路中，如果暗计数率> b，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵降低偏压；如果计数率在预设值内，即a≦暗计数率≦b，判断模块通过配置电压控制寄存器维持电荷泵偏压；如果暗计数率<a，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵升高偏压；基于电荷泵产生的超过雪崩电压的反向偏置电压，使光电探测器/光电探测器阵列产生雪崩触发或者线性触发；

21、（5）光电探测器由于光照或者暗噪声被触发产生脉冲电流；

22、（6）光电探测器正极连接电流电压转换器，使触发信号输出至后级电路，后级电路连接模数转换电路转换成数字信号。

23、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

24、（1）更易于实现小型化和芯片化：本发明无需使用光源，仅保留测量端，因此对于维持光源稳定工作所需要的驱动电流部分、温控部分都可以省略，而且激光管本身的体积往往也比较大，使得很多基于光源测量的量子随机数噪声源方案很难做到小型化和芯片化，而本发明则可以小型化和芯片化；

25、（2）无光源设计，工程化实现更简单：基于光源的量子随机数噪声源方案，多数是将光源的相位噪声进行测量从而转换为量子随机数，但是光源发出的信号除了量子相位噪声之外还有经典噪声，需要对光源强度进行标定以达到提升量子噪声比例的作用，同时光源强度的稳定性要求也就显得异常重要。在工程实现角度来说，复杂度明显高于本发明方案的无光源方法；

26、（3）熵源的自反馈设计保证了系统的稳定性：本发明中设计有暗计数率反馈控制电路，实时对熵源的运行状态进行监控和调整，保障了系统的稳定性和有效性。

技术特征：

1.一种自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，包括：暗计数率反馈控制电路、光电探测器和电流电压转换器，其中：

2.如权利要求1所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述暗计数率反馈控制电路包括暗计数率计数器、判断模块、电压控制寄存器和电荷泵，其中：

3.如权利要求2所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，期望的暗计数率范围具体为：a~b，且a<b。

4.如权利要求3所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述判断模块具体用于：如果所述暗计数率计数器统计的暗计数率> b，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵降低偏压；如果所述暗计数率计数器统计的在预设值内，即a≦暗计数率≦b，,判断模块通过配置电压控制寄存器维持电荷泵偏压；如果所述暗计数率计数器统计的暗计数率< a，判断模块通过配置电压控制寄存器使得电荷泵升高偏压。

5.如权利要求4所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，基于电荷泵产生的超过雪崩电压的反向偏置电压，使光电探测器产生雪崩触发或者线性触发。

6.如权利要求1或2所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述光电探测器为由多个光电探测器构成的光电探测器阵列。

7.如权利要求1或2所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述电流电压转换器为淬灭电路。

8.如权利要求1或2所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述后级电路连接模数转换电路转换成数字信号。

9.如权利要求1或2所述的自偏置量子随机数噪声生成电路，其特征在于，所述光电探测器由ingaas/inp/si/cmos雪崩二极管组成。

10.基于权利要求1-9任一项所述自偏置量子随机数噪声生成电路的自偏置量子随机数噪声生成方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种自偏置量子随机数噪声生成电路，包括暗计数率反馈控制电路、光电探测器和电流电压转换器，其中：所述暗计数率反馈控制电路，用于产生超过雪崩电压的反向偏置电压，使光电探测器被触发；所述光电探测器，用于被所述超过雪崩电压的反向偏置电压触发，丛而基于暗噪声发生隧穿效应产生脉冲电流；所述电流电压转换器，用于连接所述光电探测器，使所述脉冲电流输出至后级电路并转换成数字信号。本发明还公开了相应的自偏置量子随机数噪声生成方法。

技术研发人员：宋晨,吕鑫,刘云,苗春华,凌杰,刘婧婧,严进,刘炳强,赵昊,张鹏程,杨洪杰
受保护的技术使用者：安徽问天量子科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16