一种基于量子熵源的多路光采样量子随机数产生系统的制作方法

本发明涉及商用密码与量子随机数发生器领域，具体涉及一种基于量子熵源的多路光采样量子随机数产生系统。

背景技术：

1、随机数是一种不存在周期性或明显规律，并且满足一定的统计性质的非确定性序列，在许多领域是至关重要的资源。因其使用价值极高，所以广受关注。量子随机数发生器产生的真随机数区别于传统的由算法生成的伪随机数和可预测物理过程的随机数，基于量子力学的基本原理产生随机数，其安全性根源于量子的不确定性和不可预测性。

2、基于放大自发辐射的量子随机数发生器是一种利用量子物理原理生成真正随机的数的技术。相较于传统随机数生成方法，其优势在于能够提供真正的随机性，不受任何预先存在的模式或算法的影响，使得基于量子物理的随机数生成器在加密和安全通信等领域具有广泛的应用前景。

3、由于量子随机数发生器中采样量化及后处理模块常采用电子设备，而熵源基于量子现象，通常是量子光源，因此存在着光电转换和模数转换的过程。而电子设备存在的时序抖动等不利因素将对其量化精度、采样率和模拟输入带宽造成影响，将极大影响随机序列的产生速率。电子模数转换器adc的技术发展无法满足量子随机数发生器的速率需求，而光采样可以解决时序抖动问题。

4、通过使用光子作为信息载体，光采样能够实现高速、宽带信号的采集，具有较高的时间分辨率和频率分辨率。此外，由于光子传播速度快，光域采样系统能够快速获取并处理信号，非常适合用于高速通信领域。这些优势使得光域采样在许多领域都具有广泛的应用前景。商用密码、轻量型随机数和量子随机数应用领域潜力广阔，因此需要对现有的技术进行进一步的改进，以提高量子随机数的产生速率，有利于其进一步的推广和应用。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，提出了一种量子随机数的产生速率的多路处理的基于光采样的量子随机数产生系统。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于量子熵源的多路光采样量子随机数产生系统，包括熵源、采样脉冲模块、非线性采样模块、量化模块及后处理模块；

3、所述熵源和采样脉冲模块分别通过光纤与非线性采样模块连接，所述非线性采样模块通过光纤与量化模块连接；

4、所述熵源用于产生探测光脉冲；

5、所述采样脉冲模块用于产生采样光脉冲；

6、所述非线性采样模块用于对接收的信号进行非线性采样及光电转换；

7、所述量化模块对信号进行模数转换量化处理；

8、所述后处理模块用于对数据进行后处理产生最终的随机数；

9、所述探测光脉冲及采样光脉冲分别进入到非线性采样模块进行非线性采样后保留探测光脉冲，对探测光脉冲进行光电转换后进入量化模块对信号进行模数转换量化处理后进入到处理模块对数据进行异或算法后处理，从而输出最终的具有随机性的二进制序列。

10、优选地，所述非线性采样模块包括n路并行的非线性采样光路，任意一条非线性采用光路都设置有顺序连接的半导体光放大器soa、光环形器oc、带通滤波器filter和光电探测器pd。

11、优选地，所述量化模块包括耦合器coupler，第n+1电探测器pdn+1和n个模数转换器adc；

12、所述耦合器coupler和第n+1光电探测器pdn+1通过光纤顺序连接；

13、任意一个模数转换器adc对应与一条非线性采样光路的光电探测器pd连接；

14、一条非线性采样光路与模数转换器adc连接后接入到1-n波分解复用器dwdm和后处理模块之间。

15、优选地，所述熵源包括超辐射发光二极管sled，光隔离器iso和第二1-n波分解复用器dwdm2，所述超辐射发光二极管sled，光隔离器iso和第二1-n波分解复用器dwdm2通过光纤依次连接。

16、优选地，所述采样脉冲模块包括锁模激光器mll，掺铒光纤放大器edfa和第一1-n波分解复用器dwdm1，所述锁模激光器mll，掺铒光纤放大器edfa和第一1-n波分解复用器dwdm1通过光纤依次连接。

17、优选地，所述非线性采样模块包括第一半导体光放大器soa1、第二半导体光放大器soa2至第n半导体光放大器soan，第一光环形器、第二光环形器至第n光环形器，第一带通滤波器filter1、第二带通滤波器filter2至第n带通滤波器filtern，第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2至第n光电探测器pdn；

18、其中，所述第一半导体光放大器soa1、第一光环形器、第一带通滤波器filter1和第一光电探测器pd1通过光纤顺序连接；

19、所述第二半导体光放大器soa2、第二光环形器、第二带通滤波器filter2和第二光电探测器pd2通过光纤顺序连接；

20、所述第n半导体光放大器soan、第n光环形器、第n带通滤波器filtern和第n光电探测器pdn通过光纤顺序连接；

21、所述第一光路、第二光路至第n光路并行接入到第二1-n波分解复用器dwdm2和后处理模块之间。

22、优选地，所述量化模块包括耦合器coupler，第n+1光电探测器pdn+1，第一模数转换器adc1、第二模数转换器adc2至第n模数转换器adcn；

23、所述耦合器coupler以及第n+1光电探测器pdn+1通过光纤顺序连接；

24、所述第一模数转换器adc1与第一光电探测器pd1连接，所述第一模数转换器adc1与所述第一半导体光放大器soa1、第一光环形器、第一带通滤波器filter1和第一光电探测器pd1形成第一光路；

25、所述第二模数转换器adc2与第二光电探测器pd2连接，所述第二模数转换器adc2与所述第二半导体光放大器soa2、第二光环形器、第二带通滤波器filter2和第二光电探测器pd2形成第二光路；

26、所述第n模数转换器adcn与第n光电探测器pdn连接，所述第n模数转换器adcn与第n半导体光放大器soan、第n光环形器、第n带通滤波器filtern和第n光电探测器pdn形成第n光路；

27、所述第一光路、第二光路至第n光路并行接入到第二1-n波分解复用器dwdm2和后处理模块之间。

28、优选地，所述发光二极管sled将自发辐射进入到波导模式中，进行光信号放大，增益介质中光子获得的增益g为：

29、

30、其中：r0为腔面反射率，gd为单程增益，v为光频率，υ0为增益谱中心频率，δv为纵模间隔频率。

31、优选地，当电流密度达到激射阈值时，所述自发辐射强度达到最大强度，为：

32、

33、其中：rfrontrback分别表示为前后腔反射率，tfront为前腔透射率，ispon为原始输入自发辐射系数，d为腔长。

34、优选地，所述光脉冲时间抖动对任意一个数转化器adc有效位数的影响如下式：

35、

36、其中，fsam是采样频率，σj是光脉冲时间抖动。

37、优选地，当两束光脉冲同时注入到任意一个半导体放大器soa中时，soa的载流子速率方程和增益系数方程分别可以表示为：

38、

39、

40、其中，n为载流子个数，τc为载流子寿命，ω和d分别表示光频率和两光脉冲的走离参数，z和t分别为为传输距离和传输时间，g(z,t)为增益函数，i(t)为输入电流时间函数，e和v分别为电荷数和soa有源区体积，g0为soa的原始增益，i＝1，2分别表示探测光和脉冲光，pi(z,t)为光功率方程。

41、优选地，所述光脉冲经过半导体放大器soa后，两束光的功率和相位可以表示为：

42、pout_i＝pin_i(t)exp[h(t)]

43、φout_i＝φin_i(t)exp[h(t)]。

44、优选地，所述任意带通滤波器filter的滤波带宽为1nm，对应的中心波长为分别为1548nm，1550nm和1552nm。

45、本发明有益的技术效果：本发明采用的超辐射发光二极管sled，易于进行频谱切片处理，进行多路数据采样，提高随机数的产生速率；

46、采用的锁模激光器生成的飞秒脉冲，具有较低的时序抖动，提高了采样速度；

47、采用光采样电量化的结构，具有较高的处理速度，生成随机数的可达到gbps级别，具有很高的实用价值。