一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置及方法与流程

本发明属于信息安全领域，具体地说，本发明涉及一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置及方法。

背景技术：

1、在量子力学中，微观粒子的状态是概率性的，一个量子比特(qubit)可以处于多个状态的叠加态中，当对这个量子比特进行测量时，其状态会随机坍缩到某一确定状态，且每次测量的结果都是随机的、不可预测的。这种随机性来源于量子系统内在的不可预测性，每次测量结果都是独立的，并且无法被预测或控制，克服了传统随机数生成器的局限性。

2、量子随机数生成技术在多个领域得到了广泛应用。仿真模拟领域，它可以用于构建更真实的随机数模型，提高模拟的准确性和可靠性。在密码学领域，它可以用于生成加密密钥、数字签名等安全参数，提高通信和数据的安全性。尤其在信息安全领域，高质量的随机数对于保障通信和数据安全至关重要。传统的随机数生成方法往往依赖于复杂的算法和初始条件，容易受到攻击和预测。因此，对于高安全性的需求，量子随机数生成技术具有独特的优势。其次，量子随机数生成器可以在极短的时间内产生大量的随机数，满足现代信息处理系统对高速度、高效率的需求。

3、当前，随机数产生速率越来越快，量子随机数发生器实现方案主要有：单光子路径选择、单光子到达时间测量、激光相位波动测量、真空态涨落、放大自发辐射等方案。在现有的单光子到达时间测量方案中，单光子探测主要的技术指标有：暗计数、探测效率、后脉冲概率。探测效率和暗计数均对熵源的最小熵没有影响，但是后脉冲概率因与前一次雪崩探测有关联性，因此会导致最小熵的降低；此外，后脉冲概率与工艺、温度、偏压和材料有关联，这也会影响熵源最小熵评估的准确性。后脉冲是单光子雪崩二极管盖革模式的一个特有特征，单光子雪崩二极管发生载流子雪崩后，有一部分载流子会滞留在倍増层的陷阱中，这些滞留的载流子随后释放的时候也会触发雪崩，造成错误计数。后脉冲与暗计数率不同，而且它不同其他热效应和隧穿效应的暗计数是随机的，后脉冲是强相关的。为此，本发明提出一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置及方法，以达到以下目的：解决单光子雪崩二极管后脉冲概率引起的最小熵降低以及对最小熵评估准确性的影响的问题，实现去除单个单光子雪崩二极管探测信号在时间上的关联性，以获得更高质量的量子随机数。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，所述装置包括至少两个单光子探测模块、时间测量模块、熵源提取模块，所述所有单光子探测模块均与所述时间测量模块连接，所述时间测量模块与所述熵源提取模块连接，其中，所述单光子探测模块用于实现雪崩探测信号输出；所述时间测量模块用于实现对所述雪崩探测信号的时间测量，并将不同雪崩探测信号的时间测量差值作为熵源；所述熵源提取模块用于根据所述熵源评估最小熵及熵提取，最后输出量子随机数。

3、优选的，所述单光子探测模块包括偏置电压端、淬灭电阻、单光子雪崩二极管和采样电阻，其中，所述淬灭电阻的一端与所述偏置电压端连接，另一端与所述单光子雪崩二极管的负极连接；所述采样电阻的一端接地，另一端与所述单光子雪崩二极管的正极连接并引出端子作为雪崩探测信号的输出端。

4、优选的，所述单光子雪崩二极管的类型包括si基材料的雪崩二极管、ingaas/inp材料的雪崩二极管、sige材料的雪崩二极管。

5、优选的，所述单光子雪崩二极管支持通过外部光源入射以引起单光子雪崩二极管雪崩，所述外部光源包括单光子源、弱相干光源；所述单光子雪崩二极管支持无外部光源入射以引起单光子雪崩二极管雪崩，

6、优选的，在偏置电压高于单光子雪崩二极管的雪崩电平时，所述单光子雪崩二极管发生载流子雪崩，此时，采样电阻将载流子雪崩电流转换为高电平输出；然后，淬灭电阻在载流子雪崩后，通过电阻分压使得单光子雪崩二极管两端的偏置电压下降以淬灭载流子雪崩，并使得单光子雪崩二极管恢复至可工作状态，以等待下一次的载流子雪崩，此时，采样电阻的输出为低电平。

7、优选的，所述时间测量模块基于时间数字转换技术实现对所述雪崩探测信号的时间测量，并将不同雪崩探测信号的时间测量差值作为熵源，所述时间数字转换技术包括基于计数器的时间数字转换技术、基于模数转换的时间数字转换技术、延迟线时间数字转换技术以及游标环时间数字转换技术。

8、优选的，将任意一个单光子探测模块输出的雪崩探测信号的测量时间记为参考起始时间，以所述参考起始时间为起点，在下一个参考起始时间产生之前，将剩余的单光子探测模块中任意一个输出的雪崩探测信号的测量时间记为结束时间，计算结束时间与参考起始时间的差值时间即为熵源；在下一次参考起始时间产生时，未有结束时间的生成，则更新参考起始时间则。

9、优选的，所述熵源提取模块使用后处理算法提取量子随机数，所述后处理算法包括异或处理、差分处理、toeplitz哈希矩阵算法以及安全哈希类算法。

10、同时，本发明还提出了一种基于到达时间差值生成量子随机数的方法，所述方法应用于上述基于到达时间差值生成量子随机数的装置，所述方法包括以下步骤：

11、s1、任意一个单光子探测模块输出雪崩探测信号，并传输至时间测量模块中进行时间测量，对应的测量时间记为参考起始时间；

12、s2、以所述参考起始时间为起点，等待剩余的单光子探测模块中任意一个的雪崩探测信号输出，如果等待到雪崩探测信号的输出，则传输至时间测量模块中进行时间测量，对应的测量时间记为结束时间；

13、s3、如果在下一次参考起始时间产生之前，未等待到雪崩探测信号的输出，即没有结束时间的生成，则使用下一次参考起始时间对当前参考起始时间进行更新；

14、s4、计算结束时间与参考起始时间的差值时间为熵源；

15、s5、将所述熵源输入熵源提取模块进行最小熵评估及熵提取，最后输出量子随机数。

16、本发明的技术效果为：针对后脉冲对使用单光子雪崩二极管产生量子随机数方案最小熵的影响，本发明提出一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置和方法，其不再根据一个雪崩二极管雪崩时间为熵源，而是通过不同雪崩二极管雪崩时间差值为熵源，因每一只雪崩二极管雪崩相对其他雪崩二极管雪崩时间均无关，所以可完全去除前后雪崩时间的关联。在实际应用中工艺、温度、偏压、材料均会影响后脉冲大小时，此时最小熵的估计是十分困难的，对随机数质量埋下隐患，而本发明可以在评估熵源的最小熵过程中不用考虑后脉冲的影响，从而获得更高质量的量子随机数。

技术特征：

1.一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述装置包括至少两个单光子探测模块、时间测量模块、熵源提取模块，所述所有单光子探测模块均与所述时间测量模块连接，所述时间测量模块与所述熵源提取模块连接，其中，所述单光子探测模块用于实现雪崩探测信号输出；所述时间测量模块用于实现对所述雪崩探测信号的时间测量，并将不同雪崩探测信号的时间测量差值作为熵源；所述熵源提取模块用于根据所述熵源评估最小熵及熵提取，最后输出量子随机数。

2.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述单光子探测模块包括偏置电压端、淬灭电阻、单光子雪崩二极管和采样电阻，其中，所述淬灭电阻的一端与所述偏置电压端连接，另一端与所述单光子雪崩二极管的负极连接；所述采样电阻的一端接地，另一端与所述单光子雪崩二极管的正极连接并引出端子作为雪崩探测信号的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述单光子雪崩二极管的类型包括si基材料的雪崩二极管、ingaas/inp材料的雪崩二极管、sige材料的雪崩二极管。

4.根据权利要求2所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述单光子雪崩二极管支持通过外部光源入射以引起单光子雪崩二极管雪崩，所述外部光源包括单光子源、弱相干光源；所述单光子雪崩二极管支持无外部光源入射以引起单光子雪崩二极管雪崩。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：在偏置电压高于单光子雪崩二极管的雪崩电平时，所述单光子雪崩二极管发生载流子雪崩，此时，采样电阻将载流子雪崩电流转换为高电平输出；然后，淬灭电阻在载流子雪崩后，通过电阻分压使得单光子雪崩二极管两端的偏置电压下降以淬灭载流子雪崩，并使得单光子雪崩二极管恢复至可工作状态，以等待下一次的载流子雪崩，此时，采样电阻的输出为低电平。

6.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述时间测量模块基于时间数字转换技术实现对所述雪崩探测信号的时间测量，并将不同雪崩探测信号的时间测量差值作为熵源，所述时间数字转换技术包括基于计数器的时间数字转换技术、基于模数转换的时间数字转换技术、延迟线时间数字转换技术以及游标环时间数字转换技术。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：将任意一个单光子探测模块输出的雪崩探测信号的测量时间记为参考起始时间，以所述参考起始时间为起点，在下一个参考起始时间产生之前，将剩余的单光子探测模块中任意一个输出的雪崩探测信号的测量时间记为结束时间，计算结束时间与参考起始时间的差值时间即为熵源；在下一次参考起始时间产生时，未有结束时间的生成，则更新参考起始时间则。

8.根据权利要求1所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，其特征在于：所述熵源提取模块使用后处理算法提取量子随机数，所述后处理算法包括异或处理、差分处理、toeplitz哈希矩阵算法以及安全哈希类算法。

9.一种基于到达时间差值生成量子随机数的方法，其特征在于：所述方法应用于根据权利要求1-8任一项所述的一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置，所述方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于到达时间差值生成量子随机数的装置及方法，属于信息安全领域。所述装置包括至少两个单光子探测模块、时间测量模块、熵源提取模块，所述所有单光子探测模块均与所述时间测量模块连接，所述时间测量模块与所述熵源提取模块连接，其中，所述单光子探测模块用于实现雪崩探测信号输出；所述时间测量模块用于实现对所述雪崩探测信号的时间测量，并将不同雪崩探测信号的时间测量差值作为熵源；所述熵源提取模块用于根据所述熵源评估最小熵及熵提取，最后输出量子随机数。本发明克服了后脉冲的影响，可以获得更高质量的量子随机数。

技术研发人员：郝鹏磊,凌杰,刘云,袁月,曹德良,刘婧婧,施红旗,吕鑫
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：2024/12/10