一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器及随机序列生成方法

1.本发明涉及量子随机数发生器技术领域，尤其涉及一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器及随机序列生成方法。


背景技术：

2.随着信息技术的不断发展，信息安全问题日益突出，而随机数在现代科学和商业领域都发挥着至关重要的作用，例如密码学和数值模拟，所以如何生成高速率、高性能的随机数成为至关重要的科学问题。一方面，基于确定性数学算法产生的随机数被成为伪随机数，其原则上可预测的。另一方面，利用量子力学不确定性原理产生的随机数具有不可预测的性质，被称为量子随机数，产生量子随机数的装置被称为量子随机数发生器。量子信息技术的快速发展加速了量子随机数发生器的研究，多种不同的实现方案被提出并进行实验验证。根据对实际涉笔的信任程度，量子随机数发生器可以分为设备无关量子随机数发生器、半设备无关量子随机数发生器和设备受信量子随机数发生器。设备受信量子随机数发生器假设光源、探测器等完全符合设定的物理模型且不被窃听者控制，通过设计合适的方案可产生高速可用的量子随机数，该类量子随机数发生器技术发展比较成熟，尤其是利用真空态涨落噪声、激光相位噪声、放大自发辐射噪声产生量子随机数的连续型量子随机数发生器已经逐渐走向商业化。
3.基于自延迟差分的量子随机数发生器方案的一般原理如下所示，该类方案采用具有明确光强分布的量子光源产生光信号，选用超辐射发光二极管(sled)作为量子光源进行示例。sled产生的放大自发辐射噪声光信号进行带通滤波，然后再经过掺铒光纤放大器(edfa)对信号进行放大，通过耦合比为50：50的光纤耦合器(fc)分成两束，其中一束光信号连接到光延迟线(todl)，然后利用两个相同的光电探测器(pd)对光信号强度进行探测并转换为电信号，对两路电信号进行差分得到电压为v的差分信号，最后耦合到比较器(cmp)与其阈值电压ve进行比较，输出原始的随机序列。其中阈值电压ve的设定与差分信号电压v有关，即保证差分信号电压小于或大于阈值电压的概率都是50％。如果量子随机数发生器的工作状态稳定，则初始阈值电压的设定就可以保证对差分信号进行等概率划分，得到0和1出现概率相同的随机序列，保证输出随机数的随机性。然而在实际中，量子随机数发生器的量子光源不可避免地受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁辐射等，导致量子光源的输出特征发生变化，影响到fc的耦合比，从而导致比较器初始设定的阈值电压不能等概率划分差分信号，降低输出随机数的随机性，影响实际量子随机数发生器的安全性。


技术实现要素：

4.本发明针对受实际环境因素的影响，已有的基于延迟自差分的量子随机数发生器中，量子光源的输出特征会发生变化，影响光纤耦合器的耦合比，从而导致比较器的阈值电压失效，输出的随机数中存在偏置的问题，提出一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机
数发生器及随机序列生成方法，通过调节阈值电压抵消了光源输出特征变化对输出随机数的影响。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明一方面提出一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器，包括：超辐射发光二极管，滤波器，掺铒光纤放大器，耦合比为50：50的光纤耦合器，光延迟线，分光比相同的第一分束器、第二分束器，与第一分束器相连的第一光功率计、第一光电探测器，与第二分束器相连的第二光功率计、第二光电探测器，还包括与第一光功率计、第二光功率计相连的微控制器，及与微控制器、第一光电探测器、第二光电探测器相连的比较器；所述第一光电探测器、第二光电探测器通过差分电路和比较器相连。
7.进一步地，所述光纤耦合器通过光延迟线和第一分束器相连。
8.进一步地，所述第一分束器、第二分束器的分光比为1:9。
9.进一步地，所述第一分束器、第一光功率计、微控制器构成第一线路，所述第一分束器、第一光电探测器、差分电路构成第二线路，所述第二分束器、第二光电探测器、差分电路构成第三线路，所述第二分束器、第二光功率计、微控制器构成第四线路。
10.本发明另一方面提出一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器的随机序列生成方法，包括：
11.超辐射发光二极管发出光信号，经过滤波器进行滤波得到波长为λ的光信号；
12.滤波后的光信号通过掺铒光纤放大器放大，然后通过耦合比为50：50的光纤耦合器分成两束，其中一束连接到光延迟线；当延迟时间为r时，延迟线路的光功率为p(ti r)，另一线路的光功率为p(ti)；
13.之后两路光信号分别通过分光比相同的第一分束器、第二分束器再次各分为两路，延迟线路对应的两路光信号分别为第一线路光信号和第二线路光信号，未经过延迟线路的光信号通过第二分束器分为两路，分别为第三线路光信号和第四线路光信号；
14.利用第一光功率计测量第一线路光信号的光功率，利用第一光电探测器对第二线路光信号进行强度探测，利用第二光电探测器对第三线路光信号进行强度探测，利用第二光功率计测量第四线路光信号的光功率；分别得到各线路光信号的光功率p1、p2、p3、p4；
15.第一光电探测器及第二光电探测器分别把第二线路光信号、第三线路光信号转换为第二线路电信号、第三线路电信号，基于p2、p3及第一光电探测器、第二光电探测器的响应系数a分别计算第二线路和第三线路的输出电压v2、v3；将第二线路电信号、第三线路电信号通过差分电路进行差分，得到电压大小为v＝v
2-v3的差分信号，传到比较器；
16.将p1和p4传输给微控制器进行比较计算，累计t＝n*ti时间内的第一线路和第四线路的光功率值，计算得到第一线路光信号和第四线路光信号的光功率差值的平均值其中表示t时间内第一线路光信号的平均光功率，表示t时间内第四线路光信号的平均光功率；基于计算出相对应的阈值电压微控制器基于得出的阈值电压ve对比较器阈值电压进行调节；
17.比较器对v与ve进行比较，如果v《ve，则输出比特0，如果v》ve，则输出比特1，从而得到随机序列。
18.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
19.本发明通过增加两个分束器实现了光信号强度的实时监测，利用反馈控制方法，
根据光信号强度的变化计算出比较器的有效阈值电压，从而对比较器的阈值电压进行调节，实现了对差分信号的等概率划分，可以输出无偏置的随机序列。
附图说明
20.图1为本发明实施例一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器的结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
22.如图1所示，一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器，包括：超辐射发光二极管(sled)，滤波器(filter)，掺铒光纤放大器(edfa)，耦合比为50：50的光纤耦合器(fc)，光延迟线(todl)，分光比为1:9的第一分束器(bs)、第二分束器，与第一分束器相连的第一光功率计(pm)、第一光电探测器(pd)，与第二分束器相连的第二光功率计、第二光电探测器，还包括与第一光功率计、第二光功率计相连的微控制器(mcu)，及与微控制器、第一光电探测器、第二光电探测器相连的比较器(cmp)；所述第一光电探测器、第二光电探测器通过差分电路和比较器相连。
23.进一步地，所述光纤耦合器通过光延迟线和第一分束器相连。
24.进一步地，所述第一分束器、第一光功率计、微控制器构成第一线路，所述第一分束器、第一光电探测器、差分电路构成第二线路，所述第二分束器、第二光电探测器、差分电路构成第三线路，所述第二分束器、第二光功率计、微控制器构成第四线路。
25.在上述实施例的基础上，本发明另一方面提出一种基于反馈调节比较器阈值的量子随机数发生器的随机序列生成方法，包括：
26.超辐射发光二极管发出光信号，经过滤波器进行滤波得到波长为λ的光信号；
27.滤波后的光信号通过掺铒光纤放大器放大，然后通过耦合比为50：50的光纤耦合器分成两束，其中一束连接到光延迟线；当延迟时间为r时，延迟线路的光功率为p(ti r)，另一线路的光功率为p(ti)；
28.之后两路光信号分别通过分光比为1:9的第一分束器、第二分束器再次各分为两路，延迟线路对应的两路光信号分别为第一(图1中1)线路光信号和第二(图1中2)线路光信号，未经过延迟线路的光信号通过第二分束器分为两路，分别为第三(图1中3)线路光信号和第四(图1中4)线路光信号；
29.利用第一光功率计测量第一线路光信号的光功率，利用第一光电探测器对第二线路光信号进行强度探测，利用第二光电探测器对第三线路光信号进行强度探测，利用第二光功率计测量第四线路光信号的光功率；分别得到各线路光信号的光功率(光强)p1、p2、p3、p4；具体地，光源输出光的中心波长和光纤耦合器的耦合比稳定不变时，第一线路光信号的光功率为p1＝0.1*p(ti r)，第二线路光信号的光功率为p2＝0.9*p(ti r)，第三线路光信号的光功率为p3＝0.1*p(ti)，第四线路光信号的光功率为p4＝0.9*p(ti)。
30.第一光电探测器及第二光电探测器分别把第二线路光信号、第三线路光信号转换为第二线路电信号、第三线路电信号，输出的电压值与光信号的光功率(光强)大小成正比，记pd的响应系数为a，基于p2、p3及第一光电探测器、第二光电探测器的响应系数a分别计算
第二线路和第三线路的输出电压v2、v3；将第二线路电信号、第三线路电信号通过差分电路进行差分，得到电压大小为v＝v
2-v3的差分信号，传到比较器；具体地，v2＝0.9*p(ti r)*a，v3＝0.9*p(ti)*a。
31.第一线路测量的光功率p1和第四线路测量得到的光功率p4传输给微控制器进行比较计算，累计t＝n*ti时间内的第一线路和第四线路的光功率值，计算得到第一线路光信号和第四线路光信号的光功率差值的平均值其中表示t时间内第一线路光信号的平均光功率，表示t时间内第四线路光信号的平均光功率；基于计算出相对应的阈值电压微控制器基于得出的阈值电压ve对比较器阈值电压进行调节；
32.比较器对采样电压v与ve进行比较，如果v《ve，则输出比特0，如果v》ve，则输出比特1，从而得到随机序列。
33.本发明通过对光功率进行实时监测以及动态调节比较器的阈值电压，保证了比较器阈值电压的有效性，可以将采样的差分信号进行等概率划分，保证了量子随机数发生器系统的稳定性。
34.以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。