一种小型化量子随机数产生装置及方法与流程

本发明涉及量子，更具体地说，它涉及一种小型化量子随机数产生装置。

背景技术：

1、随机数早已融入到生活的方方面面，如密码学、数值模拟、量子通信等。根据随机数的品质，随机数可被分为两类，伪随机数和真随机数。目前，在各个领域中，伪随机数使用更加普遍，有着成本低，效率高的特点。它是由一串随机数种子结合复杂算法来实现后续随机序列的生成，其随机数的品质取决于随机数种子的质量以及算法的复杂度。而当这两个部分同时被攻击者获取时，该随机数序列的所有数据都将被破译，其安全性难以保障。而真随机数的产生则是基于物理过程中不可预测的变量，具有不可预测性、不可重复性和统计均匀性的特征。量子随机数是根据对量子物理系统中具有内秉随机特性的变量进行测量得到的。与其他经典物理系统的随机性来自于对系统的不完备认知不同，量子随机性来自于量子物理系统的固有不确定性，是量子力学基本原理所保证的。

2、随着对量子计算机的研究加深，伪随机数显然无法满足未来通信对于随机数的质量要求，而量子随机数将会成为未来高安全性应用场景的首选。在已有真随机数的产生方案中，基于光源的方案更受研究者们青睐，这是由于光量子内秉的不可预测性能够为产生的随机数提供质量保证。

3、如今已有诸多较为成熟的随机数产生方案，集成化成为当前的研究焦点。近几年，瑞士公司idq(id quantique)先后提出了基于手机相机产生随机数的方案以及一种以发光二极管(led)作为光源，互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器采集光源信息的芯片式方案。但该方案采用高速adc采样作为其信号处理的主要方法，一方面高速adc采样本身对系统硬件处理提出了较高的要求，另一方面，adc采样过程本身的不完美性会引入一定的伪随机特性，从而降低系统真实的随机性特性。

技术实现思路

1、本发明提供一种小型化量子随机数产生装置，首次提出基于电压比较二值法的方式，利用像素间探测电压的随机性，以cmos像素点探测输出的电压序列前后脉冲间的电压差值作为随机数熵源，获得量子随机数序列，解决相关技术中的技术问题。

2、本发明的至少一个实施例中提供了一种小型化量子随机数产生装置，包括：

3、光源，其用于发射光线；

4、cmos图像传感器，其用于接收光源发出的光线，将光信号转换成对应的数字信号；

5、数据处理模块，其用于处理cmos图像传感器的数字信号，处理的过程包括：

6、通过cmos图像传感器的相邻像素点的光子计数进行比较生成随机数，比较来生成随机数的规则如下：

7、对于cmos图像传感器的任意两个相邻的像素点，将这两个像素点中更靠近cmos图像传感器的像素点阵列的左上角或右上角或右下角或左下角的像素点定义为a像素点，另一个像素点定义为b像素点；

8、如果a像素点的光子计数大于b像素点的光子计数时生成随机数0，如果a像素点的光子计数小于b像素点的光子计数时生成随机数1，当a像素点的光子计数等于b像素点的光子计数时不生成结果；

9、像素点的光子计数是指单位时间内像素点接收到的光子数。

10、通过相邻的像素点光子计数的差值产生的随机数，它可以去除掉经典噪声对随机数源的影响。

11、进一步地，所述光源为led。

12、进一步地，前述的一种小型化量子随机数产生装置还包括：

13、前后比较模块，其用于将cmos图像传感器的同一像素点的相邻的两个时间的光子计数的进行比较生成随机数；比较生成随机数的规则如下：

14、相邻的两个时间的光子计数中前一时间的光子计数大于后一时间的光子计数时生成随机数0，前一时间的光子计数小于后一时间的光子计数时生成随机数1，前一时间的光子计数等于后一时间的光子计数时不生成结果。

15、进一步地，前述的一种小型化量子随机数产生装置还包括：

16、延迟脉冲施加模块，其用于将cmos图像传感器的每个像素点探测得到的前脉冲电压分成两份，对其中一份脉冲电压施加延时生成后脉冲电压；

17、比较器，其用于将每个像素点前后脉冲电压幅度进行差分处理，奇数次操作时，若前脉冲电压的值大于后脉冲电压的值，将此时输出记为1，反之则记为0，当两者相等时，则此时忽略本次相减的结果。

18、进一步地，所述cmos图像传感器的每个像素点的读值反映了指定时间内该像素点捕获光子的数量。

19、进一步地，数据处理模块为上位机。

20、本发明的至少一个实施例中提供了一种小型化量子随机数产生方法，包括：

21、将cmos图像传感器接收光源的光信号产生的数字信号处理为二维图像；二维图像的像元与cmos图像传感器的像素点一一对应；

22、比较二维图像的相邻的两个像元的值来生成随机数，规则如下：对于二维图像的任意两个相邻的像元，将这两个像元中更靠近二维图像的左上角或右上角或右下角或左下角的像元定义为a像元，另一个像元定义为b像元；

23、如果a像元的光子计数大于b像元的光子计数时生成随机数0，如果a像元的光子计数小于b像元的光子计数时生成随机数1，当a像元的光子计数等于b像元的光子计数时不生成结果。

24、进一步地，二维图像的像元的值表示cmos图像传感器的像素点在单位时间的光子计数。

25、本发明的至少一个实施例中提供了一种存储介质，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行前述的一种小型化量子随机数产生方法中的步骤。

26、本发明的有益效果在于：

27、(1)降低了经典噪声对量子熵源的影响；

28、(2)通过比较电路实现比较输出0/1，实现电路简单，并于实现小型化、芯片化设计。

技术特征：

1.一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，所述光源为led。

3.根据权利要求1所述的一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求1或3所述的一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，所述cmos图像传感器的每个像素点的读值反映了指定时间内该像素点捕获光子的数量。

6.根据权利要求1所述的一种小型化量子随机数产生装置，其特征在于，数据处理模块为上位机。

7.一种小型化量子随机数产生方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种小型化量子随机数产生方法，其特征在于，二维图像的像元的值表示cmos图像传感器的像素点在单位时间的光子计数。

9.一种存储介质，其特征在于，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如权利要求7和8任一所述的一种小型化量子随机数产生方法中的步骤。

技术总结
本发明涉及量子技术领域，公开了一种小型化量子随机数产生装置及方法，包括：光源，其用于发射光线；CMOS图像传感器，其用于接收光源发出的光线，将光信号转换成对应的数字信号；数据处理模块，其用于处理CMOS图像传感器的数字信号，处理的过程包括：通过CMOS图像传感器的相邻像素点的光子计数进行比较生成随机数；本发明基于电压比较二值法，利用像素间探测电压的随机性，以CMOS像素点探测输出的电压序列前后脉冲间的电压差值作为随机数熵源，获得量子随机数序列。该方法具备简单、可靠、易实现的优点，更利于产品的产业推广。

技术研发人员：李长辉
受保护的技术使用者：格物量子技术（合肥）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19