量子随机数演示装置的制作方法

本发明涉及量子信息教学，尤其涉及一种量子随机数演示装置。

背景技术：

1、在现代加密通信中，密钥是保证通信安全的关键。传统的密钥生成方法是伪随机数生成器使用一种子作为输入，基于确定性算法生成数字序列，即伪随机密钥，但是随着计算机性能的发展，伪随机密钥的序列规律可以被攻击者破解。相比之下，量子随机数利用了量子力学的原理，通过测量量子系统的不确定性来生成真正的随机数，这些随机数具有不可预测性和不可重现性，以真随机的量子随机数作为密钥加密通信数据，能够有效抵抗各种攻击手段。

2、而基于微观物理量子力学的量子随机数生成体系极为复杂，因此，亟需一种量子随机数演示设备，将抽象、复杂的量子随机数原理于宏观放大、可视，便于学生理解。

技术实现思路

1、基于上述背景，本发明提供一种量子随机数演示装置。

2、本发明提供的量子随机数演示装置，包括：激光器、50:50分光镜、一或两个光电探测器、控制芯片和上位机；其中，所述激光器用于输出激光信号；所述50:50分光镜用于接收所述激光信号并分束为第一子激光信号和第二子激光信号；所述光电探测器用于接收所述第一子激光信号和/或第二子激光信号，并转换为相应的电信号；所述控制芯片与所述光电探测器可通信，用于接收所述上位机随机数采样指令，采集所述电信号，与对应光路预设的基准值对比，输出随机数并显示于所述上位机。

3、进一步的，所述量子随机数演示装置包括两个所述光电探测器，两个所述光电探测器分别接收所述第一子激光信号和所述第二子激光信号并转换为第一电信号和第二电信号；所述控制芯片采集所述第一电信号和所述第二电信号，分别与所在光路预存的所述基准值对比，将两对比结果异或输出为所述随机数。

4、进一步的，所述量子随机数演示装置上电，或者所述控制芯片接收所述随机数采样指令，则执行所述基准值采样并生成所述基准值；所述基准值采样与所述随机数采样频率相同。

5、进一步的，所述随机数每累计采样预设长度，所述基准值重新形成。

6、进一步的，所述基准值和所述随机数采样频率为0.25mhz。

7、进一步的，所述随机数采样指令包格式包括协议头、数据部分和尾部，所述协议头进一步包括固定头、类型和数据长度，所述数据部分包括设备号、顺序号和动作，所述尾部包括校验位；所述控制芯片向所述上位机发送的所述随机数包格式也包括协议头、数据部分和尾部，所述协议头进一步包括固定头、类型和数据长度，所述数据部分包括设备号、顺序号和所述随机数，所述尾部包括校验位。

8、进一步的，所述随机数采样之前，采集所述光电探测器的瞬时电压，判断所述瞬时电压是否在预设区间，以确认所述演示装置工作状态。

9、进一步的，所述控制芯片将采集的所述电信号实施ad转化所得电压值的精确度不大于0.001v。

10、进一步的，还包括pcb板，所述控制芯片固设于所述pcb板；所述pcb板进一步包括电连接的usb模块和usb转ttl模块，所述控制芯片经所述usb转ttl模块、所述usb模块与所述上位机通信。

11、进一步的，所述pcb板还包括牛角端子座，所述光电探测器插接所述牛角端子座的ad模拟信号输入排针，实现与所述控制芯片通信。

12、本发明至少具有以下有益效果：

13、本发明通过激光信号经50:50分光镜分束，分别探测反射光路光强和/或透射光路光强并转换为电信号，通过与各路径预设的基准值对比，去除随机性影响因素，基于对比结果输出随机数，并通过上位机显示，实现将复杂的量子随机数理论可视化，便于学生理解真随机量子随机数的生成原理。

技术特征：

1.一种量子随机数演示装置，其特征在于，包括：激光器、50:50分光镜、一或两个光电探测器、控制芯片和上位机；其中，

2.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述量子随机数演示装置包括两个所述光电探测器，两个所述光电探测器分别接收所述第一子激光信号和所述第二子激光信号并转换为第一电信号和第二电信号；

3.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述量子随机数演示装置上电，或者所述控制芯片接收所述随机数采样指令，则执行所述基准值采样并生成所述基准值；

4.根据权利要求3所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述随机数每累计采样预设长度，所述基准值重新形成。

5.根据权利要求3所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述基准值和所述随机数采样频率为0.25mhz。

6.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述随机数采样指令包格式包括协议头、数据部分和尾部，所述协议头进一步包括固定头、类型和数据长度，所述数据部分包括设备号、顺序号和动作，所述尾部包括校验位；

7.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述随机数采样之前，采集所述光电探测器的瞬时电压，判断所述瞬时电压是否在预设区间，以确认所述演示装置工作状态。

8.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述控制芯片将采集的所述电信号实施ad转化所得电压值的精确度不大于0.001v。

9.根据权利要求1所述的量子随机数演示装置，其特征在于，还包括pcb板，所述控制芯片固设于所述pcb板；

10.根据权利要求9所述的量子随机数演示装置，其特征在于，所述pcb板还包括牛角端子座，所述光电探测器插接所述牛角端子座的ad模拟信号输入排针，实现与所述控制芯片通信。

技术总结本发明提供了一种量子随机数演示装置，将激光信号经50:50分光镜分束，分别探测反射光路光强和/或透射光路光强并转换为电信号，通过与各路径预设的基准值对比，去除随机性影响因素，基于对比结果输出随机数，并通过上位机显示，实现将复杂的量子随机数理论可视化，便于学生理解真随机量子随机数的生成原理。技术研发人员：范犇,柳鹏,赵训虎,周敏,田阳柱受保护的技术使用者：长江量子（武汉）科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/27