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申请/专利权人：清华大学

摘要：本发明提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法。其中的量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器。应用本发明可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。

主权项：1.一种量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括：光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；其中，所述零拍探测器包括：分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器，并且，不对光源做任何假设；所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端，其中，所述预设的相位为0或π；所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接；所述分束器用于对所接收的相位调制后的连续光以及信号光产生干涉，并将产生干涉后的光信号分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号；其中，所述正交分量选择器从接收到的所述连续光的两个正交分量中随机选择一个正交分量作为被测物理量；在所述正交分量选择器选择所述连续光的一个正交分量时，将所述模数转换器输出的数字信号作为量子随机数或量子随机数的原始数据；在所述正交分量选择器选择另外一个正交分量时，将所述模数转换器输出的数字信号用于进行随机性检验；其中，利用一个正交分量测量的不确定度来确定另一个正交分量测量的不确定度的下界，通过不确定关系保证所生成的随机数的真随机性。

全文数据：一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法技术领域[0001]本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法。背景技术[0002]在现代信息社会中，随机数在经济、科学、国防、工业生产等各个领域扮演着重要的角色。具体而言，在统计分析、工业和科学领域的仿真、密码学、生活中的博彩业等各方面都有非常重要的应用。经典的方法只能产生伪随机数，从其原理上来看，伪随机实际上只是“看起来像”随机数。虽然在目前的科学技术水平下，在有限的时间内，只有非常小的可能性区分出伪随机数和真随机数之间的不同，但是从本质上来说它们的熵是不同的，因而在很多领域并不能直接使用伪随机数。例如，在安全通讯领域内就不能直接使用伪随机数，否则将无法保证通讯的绝对的安全性。[0003]根据物理过程的随机性，例如:使用电子元件的噪音、核裂变宇宙噪声、电路的热噪声、放射性衰变等等都可以来产生随机数。但是，虽然这样产生的随机数不会随着计算能力的发展而产生安全风险，但其随机性却仍然没有从本质上得到有力的保证。[0004]根据量子力学的基本原理，量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几年间，有很多的量子随机数发生器方案被提出，比如利用单光子探测、量子非局域性和真空态的统计涨落等特性而生成真随机数的方案都已经在实验上获得成功。同时，商业量子随机数发生器，比如ID-Quantiquesystem，已经进入市场。但是，现有技术中的各种量子随机数产生器都不可避免地依赖于对模型的假设，以及对设备装置完美的要求。[0005]在众多量子随机数产生器中，单光子探测的方案是最简单的。单光子探测量子随机数产生器主要包括两个部分:源和测量装置。在单光子探测量子随机数产生器中，源向测量装置中的探测器发出z基矢的态，探测器紧接着使用X基矢进行测量。如前所述，根据量子力学的基本原理，探测器得到的结果为真随机数。但是，在该方案中，如果源不包含随机性例如，源随机地发出X基矢的本征态），那么测量得到的结果看起来也是随机的，但是实际上却是事先决定好的，而不包含任何的随机性。因此可知，在现有技术中的单光子探测随机数产生器中，源的随机性很关键。[0006]然而在实际应用中，很难在实际场景中保证源包含足够的量子随机性。所以，由此而产生的随机数也没有得到有效地保障。发明内容[0007]有鉴于此，本发明提供了一种量子随机数发生器及量子随机数生成方法，从而可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设。[0008]本发明的技术方案具体是这样实现的：[0009]—种量子随机数发生器，该量子随机数发生器包括:光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；[0010]其中，所述零拍探测器包括:分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；[0011]所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器；[0012]所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端；[0013]所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接;所述分束器用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；[0014]第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；[0015]所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；[0016]所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；[0017]所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；[0018]所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号。[0019]较佳的，所述量子随机数发生器还进一步包括:后处理器；[0020]所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。[0021]较佳的，所述光源为本地谐振器。[0022]本发明还提供了一种量子随机数生成方法，该方法包括如下步骤：[0023]使用光源输出连续光；[0024]对所述连续光进行相位调制；[0025]将相位调制后的连续光和信号光输出至一个分束器，并通过该分束器分成两束光信号分别输出至第一探测器和第二探测器；[0026]第一探测器和第二探测器分别将所接收的光信号转换成第一电流信号和第一电流伯号；[0027]将第一电流信号和第二电流信号的差值转换成离散的数字信号。[0028]较佳的，该方法还进一步包括：[0029]对所得到的数字信号进行后处理，将后处理之后的数字信号作为量子随机数。[0030]较佳的，该方法还进一步包括：[0031]对所得到的数字信号进行后处理，将在预设的第一时间段内所得到的数字信号作为量子随机数，将在预设的第二时间段内所得到的数字信号作为验证数据；[0032]根据所述验证数据进行随机性检验。[0033]较佳的，所述对所述连续光进行相位调制包括：[0034]通过正交分量选择器对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上。[0035]由上述技术方案可见，在本发明的技术方案中，由于使用了上述的光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器，从而可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设（即源无关）。另外，由于在本发明的技术方案中使用连续变量传递信息，因此增加了每个光子携带的信息量从而增加随机数产生率。此外，本发明中的技术方案通过不确定关系这一量子力学基本定律保证了最终生成随机数的随机性。此外，由于本发明中使用零拍探测器代替了现有技术中的单光子探测器，从而还可以大大降低成本。除此之外，本发明中的技术方案还可以达到Gbps级别的速度，具有很高的实用价值。附图说明[0036]图1为本发明实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。[0037]图2是本发明实施例中的量子随机数生成方法的流程图。具体实施方式[0038]为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。[0039]图1为本发明实施例中的量子随机数发生器的结构示意图。[0040]如图1所示，本发明实施例中的量子随机数发生器包括:光源11、正交分量选择器12、零拍探测器homodynedetection13和模数转换器14;[0041]其中，所述零拍探测器13包括:分束器131、第一探测器132、第二探测器133和减法器134;[0042]所述光源11，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器12;[0043]所述正交分量选择器12,用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位例如，0或JI附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器131的第一输入端；[0044]所述分束器131的第二输入端用于接收信号光，所述分束器131的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器132和第二探测器133连接;所述分束器131用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器132,另一束光信号输出至第二探测器133;[0045]第一探测器132和第二探测器133的输出端分别与减法器134连接；[0046]所述第一探测器132,用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器134的第一输入端；[0047]所述第二探测器133,用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器134的第二输入端；[0048]所述减法器134,用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器14;[0049]所述模数转换器14,用于所述差值转换成离散的数字信号。[0050]另外，在本发明的技术方案中，考虑到实际应用环境中，上述的量子随机数发生器中有可能由于周围环境的影响而引入一些经典的随机性，使得窃听者有可能窃取该部分的随机性，因此，还可以进一步考虑对模数转换器所输出的数字信号进行后处理，以进一步提高所得到的数字信号的随机性。[0051]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述量子随机数发生器还可以进一步包括:后处理器图中未示出）；[0052]所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。[0053]通过上述的后处理器，可以对模数转换后的数字信号进行后处理，将可能被引入量子随机数发生器中的经典随机性从总的随机性内剔除掉，从而得到真正的量子随机数即处理后的数字信号）。[0054]另外，在本发明的技术方案中，上述的后处理器可以使用本领域中常用的对数字信号进行后处理的后处理设备，因此在此不再赘述。[0055]由上可知，在本发明的上述量子随机数发生器中，正交分量选择器可以对接收到的连续光进行相位调制，即选择一个预设的相位例如，预设的相位可以是0或31附加在所述连续光上。该相位调制后的连续光被输出至分束器后，将在分束器处将与信号光产生干涉，并且产生干涉后的光信号将通过分束器分成两束光信号分别输出至第一探测器和第二探测器。因此，只需在上述的正交分量选择器处选择一个合适的相位对连续光进行调制，即可控制从第一探测器和第二探测器输出的物理量。所以，上述的正交分量选择器相当于可以从接收到的连续光的两个正交分量例如，连续光的X分量和P分量中随机选择一个分量作为被测物理量。因此，可以在正交分量选择器选择连续光的一个分量时，将模数转换器所输出的数字信号作为量子随机数或量子随机数的原始数据;而在正交分量选择器选择另外一个分量时，将模数转换器所输出的数字信号用于进行随机性检验。[0056]例如，假设正交分量选择器所选择的是连续光的X分量和P分量这两个相互正交的分量，并假设正交分量选择器在[to，tl]这个时间段所选择的分量是X分量，而在[tl，t2]这个时间段所选择的分量是P分量，则可以将模数转换器在[t0，tl]这个时间段所输出的数字信号作为量子随机数或量子随机数的原始数据，而将模数转换器在[tl，t2]这个时间段所输出的数字信号用于进行随机性检验。[0057]例如，在实际应用中，可以计算出测量装置的香农熵（Shannonentropy:HP。利用量子力学中的不确定关系:对易关系为零的两个物理量A与B具有不确定关系HX+HP多C，（C为常数），我们可以得到至少HX彡C一HP的随机性。这些随机性不需要对光源做任何假设，因此可知，本发明中的上述量子随机数发生器所生成的随机数的随机性与光源无关。[0058]由此可知，在上述量子随机数发生器中，由于使用了光源、正交分量选择器和零拍探测器，因此相当于是使用连续变量来传递信息，并通过对连续变量的测量来产生随机数，因此增加了每个光子所携带的信息，从而增加了随机数的产生率，极大地提闻了成码率。另夕卜，上述的量子随机数发生器可以利用一个正交分量例如，连续光的X分量测量的不确定度来确定另一个正交分量例如，连续光的P分量测量的不确定度的下界，可以通过不确定关系这一量子力学基本定律来保证最终所生成的随机数的真随机性，而并不是基于对随机数发生器源的刻画，从而可以产生源无关的真随机数。[0059]此外，本发明中的量子随机数发生器中使用了零拍探测器来替代现有技术中经常使用的单光子探测器，从而还可以大大降低设备的生产成本。[0060]另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述光源可以是本地谐振器。[0061]另外，根据本发明提供的上述量子随机数发生器，本发明还提供了相应的量子随机数生成方法，具体请参见图2。[0062]图2是本发明实施例中的量子随机数生成方法的流程图。[0063]如图2所示，该量子随机数生成方法包括如下所述步骤：[00M]步骤201，使用光源输出连续光。[0065]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述光源可以是本地谐振器。[0066]步骤202，对所述连续光进行相位调制。[0067]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过正交分量选择器对接收到的连续光进行相位调制，即选择一个预设的相位例如，预设的相位可以是0或JI附加在所述连续光上，从而相当于从连续光的两个正交的物理量中随机选择一个分量作为被测物理量。[0068]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述两个正交的物理量可以是:连续光的X分量和P分量。正交分量选择器可以从这两个正交的物理量中随机选择一个分量作为被测物理量。[0069]步骤203,将相位调制后的连续光和信号光输出至一个分束器，并通过该分束器分成两束光信号分别输出至第一探测器和第二探测器。[0070]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以将正交分量选择器进行相位调制后的连续光和信号光输入到一个分束器，然后该分束器将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，分别输出至第一探测器和第二探测器。[0071]步骤204,第一探测器和第二探测器分别将所接收的光信号转换成第一电流信号和第一电流信号。[0072]步骤205,将第一电流信号和第二电流信号的差值转换成离散的数字信号。[0073]例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，第一探测器和第二探测器可以分别将所接收的光信号转换成第一电流信号和第二电流信号并输出至一个减法器，然后该减法器可以将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至一个模数转换器，然后再通过该模数转换器将该差值转换成离散的数字信号。[0074]通过上述的步骤201〜205,即可得到相应的数字信号，并将该数字信号作为量子随机数或量子随机数的原始数据。[0075]另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，在上述步骤205之后，本发明的量子随机数生成方法还可以进一步包括：[0076]步骤206,对所得到的数字信号进行后处理，将后处理之后的数字信号作为量子随机数。[0077]另外，在本发明的技术方案中，还可以使用上述得到的数字信号对所得到的量子随机数的随机性进行验证。[0078]例如，假设在步骤202中所选择的是连续光的X分量和P分量这两个相互正交的分量，并假设在[to，tl]这个时间段所选择的分量是X分量，而在[tl，t2]这个时间段所选择的分量是P分量，则可以将在[t0，tl]这个时间段所输出的数字信号作为量子随机数或量子随机数的原始数据，而将在[tl，t2]这个时间段所输出的数字信号用于进行随机性检验。[0079]例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，在上述步骤205之后，本发明的量子随机数生成方法还可以进一步包括：[0080]步骤207,对所得到的数字信号进行后处理，将在预设的第一时间段内所得到的数字信号作为量子随机数，将在预设的第二时间段内所得到的数字信号作为验证数据。[0081]步骤208，根据所述验证数据进行随机性检验。[0082]通过上述的随机性检验，可以检验所得到的量子随机数的随机性。[0083]例如，在实际应用中，可以计算出测量装置的香农熵Shannonentropy:HP。利用量子力学中的不确定关系:对易关系为零的两个物理量A与B具有不确定关系HX+HP彡C，（C为常数），我们可以得到至少H⑻多C—H⑻的随机性。这些随机性不需要对光源做任何假设，因此可知，本发明中的上述量子随机数生成方法所生成的随机数的随机性与光源无关。[0084]综上所述，在本发明的技术方案中，由于使用了上述的光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器，从而可以在获取随机数的同时保证源的正确性，而且还可以实现不对源做任何假设即源无关）。另外，由于本发明的方法中使用连续变量传递信息，因此增加了每个光子携带的信息量从而增加随机数产生率。此外，本发明中的方法通过不确定关系这一量子力学基本定律保证了最终生成随机数的随机性。此外，由于本发明中使用零拍探测器代替了现有技术中的单光子探测器，从而还可以大大降低成本。除此之外，本发明中的方法还可以达到Gbps级别的速度，具有很高的实用价值。[0085]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

权利要求：1.一种量子随机数发生器，其特征在于，该量子随机数发生器包括:光源、正交分量选择器、零拍探测器和模数转换器；其中，所述零拍探测器包括:分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；所述光源，用于生成连续光，并将连续光输出至正交分量选择器；所述正交分量选择器，用于对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上，并将相位调制后的连续光输出至分束器的第一输入端；所述分束器的第二输入端用于接收信号光，所述分束器的第一输出端和第二输出端分别与第一探测器和第二探测器连接;所述分束器用于将所接收的相位调制后的连续光以及信号光分成两束光信号，其中一束光信号输出至第一探测器，另一束光信号输出至第二探测器；第一探测器和第二探测器的输出端分别与减法器连接；所述第一探测器，用于将所接收的光信号转换成第一电流信号并将其输出至所述减法器的第一输入端；所述第二探测器，用于将所接收的光信号转换成第二电流信号并将其输出至所述减法器的第二输入端；所述减法器，用于将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至模数转换器；所述模数转换器，用于所述差值转换成离散的数字信号。2.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于，所述量子随机数发生器还进一步包括:后处理器；所述后处理器用于对所述数字信号进行后处理，生成处理后的数字信号。3.根据权利要求1所述的量子随机数发生器，其特征在于：所述光源为本地谐振器。4.一种量子随机数生成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：使用光源输出连续光；对所述连续光进行相位调制；将相位调制后的连续光和信号光输出至一个分束器，并通过该分束器分成两束光信号分别输出至第一探测器和第二探测器；第一探测器和第二探测器分别将所接收的光信号转换成第一电流信号和第一电流信号；将第一电流信号和第二电流信号的差值转换成离散的数字信号。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还进一步包括：对所得到的数字信号进行后处理，将后处理之后的数字信号作为量子随机数。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还进一步包括：对所得到的数字信号进行后处理，将在预设的第一时间段内所得到的数字信号作为量子随机数，将在预设的第二时间段内所得到的数字信号作为验证数据；根据所述验证数据进行随机性检验。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述连续光进行相位调制包括：通过正交分量选择器对接收到的连续光进行相位调制，选择一个预设的相位附加在所述连续光上。

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