一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法及系统

本发明涉及量子信息通信构，尤其涉及一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法及系统。

背景技术：

1、随机数作为一种重要的随机资源，在现代科学和商业领域都发挥着至关重要的作用。利用量子力学不确定性原理产生的随机数被称为量子随机数，满足不可预测性、不可复制性、不可重复性等真随机数的性质，受到了广泛关注和研究。近二十年，量子随机数发生器快速发展，形成了以单光子、纠缠光子等为量子熵源的离散变量量子随机数发生器和以真空涨落噪声、激光相位噪声、放大自发辐射噪声等为量子熵源的连续变量量子随机数发生器。连续变量量子随机数发生器利用高速光电探测器对信号进行测量，其随机数生成速率可达几百gbps，成为研究重点。

2、量子熵源作为整个随机性的来源，当源不可信的时候，窃听者可以控制或者监听随机源获取随机数的信息，影响量子随机数发生器系统的实际安全性。为了进一步提升实际性能，研究者提出了不需要信任量子熵源的连续变量源无关量子随机数生成协议，可以分为基于零差探测和基于外差探测两种方式。其中，基于外差探测的连续变量源无关量子随机数生成协议不需要随机调制相位调制器件，也无需额外输入随机数，装置更简便、易于实现。

3、虽然基于外差探测的连续变量源无关量子随机数生成协议可以在源不可信的条件下生成安全的随机数，但是需要对测量设备等进行精确地刻画。实际器件的非理想特性不可避免地引入安全漏洞问题，窃听者可以利用这些实际非理想因素开展相应的攻击，威胁随机数的安全性。在基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器中，未知源输入的量子随机信号强度较弱，为了有效对未知的量子信号进行探测，通常引入较强的本振光对其相干放大。然而，无法保证本振光的强度一直稳定不变，其强度波动可能会引入相关安全漏洞问题；此外，实际的光学分束器、探测器等也可能出现非完美特性，与理想情况出现偏差，造成非平衡外差探测。因此，考虑本振光强度波动等非理想因素所引入的安全漏洞问题，对提升基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的实际安全性具有重要意义。

4、目前所提出的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数安全分析中，一是通常假设本振光强度恒定，并没有考虑本振光强度波动所引入的安全问题；二是假设外差探测是理想的，并没有考虑光学分束器、探测器等实际器件非理想因素造成的非平衡外差探测对连续变量源无关量子随机数发生器的影响。因此，如何在本振光强度波动、非平衡外差探测条件下保证生成随机数的安全性，给出此条件下随机性评估方法仍然需要研究分析。

技术实现思路

1、为了准确地评估并提升在本振光强度波动、非平衡外差探测条件下的连续变量源无关量子随机数发生器的实际安全性，本发明提供一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法及系统。

2、第一方面，本发明提供一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法，其特征在于，针对输入的未知量子态，在本振光强度波动、分束器的分束比和探测器的探测效率的非理想特性下，对未知量子态的x正交分量和p正交分量在真空态相空间的测量分辨率δx和δp进行修正，基于修正后的测量分辨率对测量结果中可提取的随机数含量的下界进行修正。

3、进一步地，对估计未知量子态的x正交分量和p正交分量在真空态相空间的测量分辨率δx和δp进行修正，具体包括：

4、标定分束器的不平衡度参数△、各探测器的探测效率ηi和本振光强度涨落噪声的初始方差相对于真空涨落噪声的方差的参数l，并按照下式估计m1,x(p)和m2,x(p)；

5、

6、

7、其中，m1,x(p)和m2,x(p)分别表示真空噪声的方差和本振光强度涨落噪声的方差都与本振光的功率之间的比例；η1(3)表示第一探测器或第三探测器的探测效率，η2(4)表示第二探测器或第四探测器的探测效率，其中，第一探测器和第二探测器属于一个零差探测器模块，第三探测器和第四探测器属于另一个零差探测器模块；d(δx(p)l(t))表示本振光强度涨落噪声的初始方差，l＝d(δx(p)l(t))/d(δx(p)qv(t))。

8、通过改变输入的本振光的功率plo，记录测量结果的总方差从而拟合得到plo和之间的关系式：

9、

10、其中，mx(p)和cx(p)分别表示关系式的斜率和截距，且mx(p)满足mx(p)＝m1,x(p)+m2,x(p)；

11、考虑本振光强度涨落噪声的影响，根据估计得到的m1,x(p)和m2,x(p)以及拟合得到的截距cx(p)，将测量结果的方差修正为：

12、

13、其中，表示修正后的测量结果的方差；

14、则根据修正的标准差σwith,x(p)估计得到修正后的测量分辨率为δwith,x(p)＝δadcσwith,x(p)/σt,x(p)；其中，δadc为模数转换器adc的测量分辨率。

15、进一步地，在考虑窃听者可获取的量子边信息ε的情况下，修正后的可提取的随机数含量hmin(mδ|ε)的下界为：

16、

17、第二方面，本发明提供一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器系统，包括：

18、随机性评估模块，用于利用如权利要求1至3任一项所述的随机性评估方法计算得到修正后的可提取的随机数含量的下界；

19、后处理模块，用于以修正后的可提取的随机数含量的下界为约束条件，利用后处理方法对原始数据进行随机性提取操作，得到安全的真随机数。

20、本发明的有益效果：

21、(1)在本发明所提出的改进的随机性评估方法中，考虑了不平衡外差探测下本振光强度波动对随机性评估的影响，通过修正正交分量的测量精度δx和δp，从而可以正确估计出从测量结果中可提取的随机数含量。

22、(2)在已有的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器系统中，并没有考虑测量端实际器件的非完美理想特性的影响，包括本振光强度波动、分束器的分束比和探测器的探测效率的非理想特性导致的非平衡外差探测等安全性问题。而在本发明提出的随机数发生器系统中，考虑了不平衡外差探测下本振光强度波动对正交分量的测量精度的影响，把上述非完美特性与校准过程中正交分量的测量精度的估计联系起来，修正了正交分量的测量精度估计公式，从而对随机性评估进行了修正，可以解决不平衡外差探测下本振光强度波动引入的安全漏洞问题，进一步提升了系统的实际安全性。

技术特征：

1.一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法，其特征在于，针对输入的未知量子态，在本振光强度波动、分束器的分束比和探测器的探测效率的非理想特性下，对未知量子态的x正交分量和p正交分量在真空态相空间的测量分辨率δx和δp进行修正，基于修正后的测量分辨率对测量结果中可提取的随机数含量的下界进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法，其特征在于，对估计未知量子态的x正交分量和p正交分量在真空态相空间的测量分辨率δx和δp进行修正，具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法，其特征在于，在考虑窃听者可获取的量子边信息ε的情况下，修正后的可提取的随机数含量hmin(mδ|ε)的下界为：

4.一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供一种改进的基于外差探测的连续变量源无关量子随机数发生器的随机性评估方法及系统，涉及量子信息通信技术领域。本发明考虑测量端实际器件的非完美理想特性的影响，包括本振光强度波动、分束器的分束比和探测器的探测效率的非理想特性导致的非平衡外差探测等安全性问题，把上述非完美特性与校准过程中正交分量的测量精度的估计联系起来，修正了正交分量的测量精度估计公式，从而对随机性评估进行了修正，可以解决不平衡外差探测下本振光强度波动引入的安全漏洞问题，进一步提升了系统的实际安全性。

技术研发人员：李元昊,费洋扬,马智,孟祥栋,王卫龙,王洪,段乾恒,王娜,朱嘉玮
受保护的技术使用者：中国人民解放军网络空间部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/14