專利名稱：一種光量子真隨機(jī)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種可以產(chǎn)生量子真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)源，實(shí)現(xiàn)保密系統(tǒng)中無序密鑰的產(chǎn)生。
背景技術(shù)：
隨機(jī)數(shù)在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是一個(gè)非常重要的組成部分。從數(shù)值計(jì)算中的Monte Carlo模擬方法到保密通信系統(tǒng)中密碼的產(chǎn)生，以及商業(yè)上彩票和博彩機(jī)等，隨機(jī)數(shù)都起者非常關(guān)鍵的作用。隨著隨機(jī)數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方式和隨機(jī)性能成為大家所關(guān)注的問題?；谟?jì)算機(jī)的一些算法產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)和利用物理量產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)是兩種最為普遍的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法。但是由于計(jì)算機(jī)速度的迅速提高，使得由計(jì)算機(jī)算法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)很容易被這種算法的逆運(yùn)算破解。利用物理量觀察值本身的隨機(jī)性獲得真隨機(jī)數(shù)的方法，人們可以獲得穩(wěn)定的、隨機(jī)性良好的隨機(jī)源，但是由于數(shù)據(jù)采集難度較大、采集速率較低和不能實(shí)現(xiàn)模塊化的原因，如利用放射性元素的衰減產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)、利用激光光斑圖案的空間分布的隨機(jī)性產(chǎn)生隨機(jī)源和利用囚禁的單離子共振熒光輻射的光子發(fā)射周期的隨機(jī)性產(chǎn)生隨機(jī)源等方案都不能得到很廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高速率、便于采集的量子真隨機(jī)源，這種隨機(jī)源利用45°偏振的線偏振光子通過偏振分束器后被隨機(jī)地分成垂直偏振和水平偏振兩路來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。一個(gè)光子只能選擇一條路徑傳播，不是垂直偏振就是水平偏振，因此這種隨機(jī)源的隨機(jī)性與光量子的隨機(jī)特性直接相關(guān)，具有隨機(jī)性好、實(shí)現(xiàn)起來比較容易和隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率快等優(yōu)點(diǎn)。這種量子真隨機(jī)源是利用光量子的偏振特性，所以可以很方便的通過調(diào)節(jié)偏振光的偏振方向來調(diào)整隨機(jī)源的隨機(jī)性。在該量子真隨機(jī)源中還可以通過使用USB接口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，使整個(gè)量子真隨機(jī)源系統(tǒng)具備了更方便、更實(shí)用化的特點(diǎn)。
本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
本發(fā)明主要由光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分、光量子具隨機(jī)數(shù)采集部分和隨機(jī)數(shù)處理流程組成。
光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分是由光子發(fā)生模塊、偏振方向調(diào)整器件、偏振分束器件、單光子探測(cè)器組成，其中光子發(fā)生模塊射出的光子，光子經(jīng)過偏振方向調(diào)整器件調(diào)整后成為偏振方向一定的準(zhǔn)單光子射到偏振分束器件上，經(jīng)分束后，被兩個(gè)單光子探測(cè)器分別進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果從探測(cè)器輸出端輸出。
光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分是由同步信號(hào)發(fā)生器、延時(shí)器和USB接口芯片組成，從同步信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步信號(hào)，一路接到光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分的光子發(fā)生模塊，另一路通過延時(shí)器輸入U(xiǎn)SB接口芯片，單光子探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)線接入到USB接口芯片的數(shù)據(jù)輸入端。
隨機(jī)數(shù)處理流程通過計(jì)算機(jī)將USB讀入的從兩個(gè)單光子探測(cè)器件的輸出端輸出的兩路探測(cè)結(jié)果根據(jù)“一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘1’(‘0’)，另一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘0’(‘1’)”的原則合并成一個(gè)隨機(jī)序列，并刪除兩個(gè)單光子探測(cè)器都探測(cè)到或都沒探測(cè)到光子的情況。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨機(jī)數(shù)是根據(jù)光量子的隨機(jī)特性而產(chǎn)生的，所以無法被破譯，隨機(jī)性好，隨機(jī)采集速度快，應(yīng)用方便。
附圖概述附

圖1為本發(fā)明的光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分的原理圖；附圖2為本發(fā)明的光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分的原理圖；附圖3為本發(fā)明的光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分的時(shí)序圖；附圖4為本發(fā)明的隨機(jī)數(shù)處理流程圖；附圖5為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖1-5所示，本實(shí)施例主要由光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分、光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分和隨機(jī)數(shù)處理流程組成。
光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分是由一個(gè)光子發(fā)生模塊、一個(gè)偏振方向調(diào)整器件、一個(gè)偏振分束器件、兩個(gè)單光子探測(cè)器A、B組成，光子發(fā)生模塊是由激光器和一組衰減片構(gòu)成的，其中光子發(fā)生模塊射出的光子，入射到偏振方向調(diào)整器件上；光子經(jīng)過偏振方向調(diào)整器件調(diào)整后成45°偏振方向的準(zhǔn)單光子射到偏振分束器件上，然后被偏振分束器件分為兩束偏振方向互相垂直的光束；兩個(gè)單光子探測(cè)器A、B分別對(duì)兩路準(zhǔn)單光子進(jìn)行探測(cè)，兩個(gè)單光子探測(cè)器A、B的探測(cè)結(jié)果從輸出端輸出。單光子探測(cè)器A探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘1’(‘0’)，單光子從探測(cè)器B探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘0’(‘1’)。通過調(diào)整偏振方向調(diào)整器件，可以調(diào)整從偏振方向調(diào)整器件出射的準(zhǔn)單光子的偏振方向。適當(dāng)?shù)钠穹较?，使得兩束光中含有光子的幾率相同，這樣可以獲得隨機(jī)性很好的真隨機(jī)數(shù)。
光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分是由同步信號(hào)發(fā)生器、延時(shí)器和USB接口芯片組成。從同步信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步信號(hào)，一路接到光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分的光子發(fā)生模塊作為驅(qū)動(dòng)脈沖，另一路通過一個(gè)延時(shí)器輸入U(xiǎn)SB接口芯片作為時(shí)鐘脈沖。兩個(gè)單光子探測(cè)器A、B的探測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)線接入到USB接口芯片的數(shù)據(jù)輸入端。這樣計(jì)算機(jī)就可以通過USB接口自動(dòng)地從該量子真隨機(jī)源讀入兩個(gè)單光子探測(cè)器件的探測(cè)結(jié)果。
隨機(jī)數(shù)處理流程將USB讀入的從兩個(gè)單光子探測(cè)器件的輸出端輸出的兩路探測(cè)結(jié)果根據(jù)“單光子探測(cè)器A探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘1’(‘0’)，單光子探測(cè)器B探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘0’(‘1’)”的原則合并成一個(gè)隨機(jī)序列，并刪除兩個(gè)單光子探測(cè)器A、B都探測(cè)到或都沒探測(cè)到光子的情況。在隨機(jī)數(shù)處理流程中，計(jì)算機(jī)首先讀入兩個(gè)單光子探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果，然后判斷兩個(gè)單光子探測(cè)器是否都探測(cè)到或都沒探測(cè)到光子，如果是，就刪除這組的數(shù)據(jù)，繼續(xù)讀入下一組數(shù)據(jù)；如果否，判斷是哪個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)到光子，如果是A，計(jì)算機(jī)存入隨機(jī)數(shù)為‘1’(‘0’)，是B，計(jì)算機(jī)存入隨機(jī)數(shù)為‘0’(‘1’)。
在本實(shí)施例中，采用一個(gè)脈沖激光器和一組衰減片組成了光子發(fā)生模塊。本實(shí)施例使用的偏振方向調(diào)整器件是格蘭鏡(Glan棱鏡)，使用的偏振分束器件是偏振分束器(PBS)，使用雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器作為單光子探測(cè)器。本實(shí)施例還利用89C51單片機(jī)和DS1023延時(shí)芯片分別作為同步信號(hào)發(fā)生器和延時(shí)器。使用的USB接口芯片是CYPRESS的CY7C68013USB2.0接口芯片，能夠自動(dòng)在USB1.1和USB2.0之間轉(zhuǎn)換。
半導(dǎo)體激光器通過89C51單片機(jī)產(chǎn)生的同步脈沖觸發(fā)產(chǎn)生光脈沖，通過衰減片組衰減和Glan棱鏡的偏振調(diào)整形成一個(gè)準(zhǔn)單光子脈沖。準(zhǔn)單光子脈沖通過PBS后被分為兩路，分別被兩路APD探測(cè)器探測(cè)。探測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)線接入CY7C68013芯片的數(shù)據(jù)輸入端，89C51單片機(jī)產(chǎn)生的同步脈沖通過DS1023的延時(shí)成為CY7C68013芯片的時(shí)鐘脈沖。
讀入的探測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到最終所需要的量子真隨機(jī)數(shù)。本實(shí)施例的隨機(jī)數(shù)采集速率可以達(dá)到5Mb/s以上。
權(quán)利要求
1.一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于該隨機(jī)源主要是由光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分、光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分和隨機(jī)數(shù)處理流程組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分是由光子發(fā)生模塊、偏振方向調(diào)整器件、偏振分束器件、單光子探測(cè)器組成，其中光子發(fā)生模塊射出的光子，光子經(jīng)過偏振方向調(diào)整器件調(diào)整后射到偏振分束器件上，經(jīng)分束后，被兩個(gè)單光子探測(cè)器分別進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果從輸出端輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的光子發(fā)生模塊射出的光子，在經(jīng)過偏振方向調(diào)整器件調(diào)整后，成為偏振方向?yàn)?5°角的準(zhǔn)單光子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的光子發(fā)生模塊是由激光器和一組衰減片構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的光子發(fā)生模塊中的激光器為脈沖激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分是由同步信號(hào)發(fā)生器、延時(shí)器和USB接口芯片組成，從同步信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步信號(hào)，一路接到光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分的光子發(fā)生模塊，另一路通過延時(shí)器輸入U(xiǎn)SB接口芯片，單光子探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)線接入到USB接口芯片的數(shù)據(jù)輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光量子真隨機(jī)源，其特征在于所述的隨機(jī)數(shù)處理流程是通過計(jì)算機(jī)將USB讀入的從兩個(gè)單光子探測(cè)器件的輸出端輸出的兩路探測(cè)結(jié)果根據(jù)“一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘1’(‘0’)，另一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)到光子時(shí)表示隨機(jī)數(shù)為‘0’(‘1’)”的原則合并成一個(gè)隨機(jī)序列，并刪除兩個(gè)單光子探測(cè)器都探測(cè)到或都沒探測(cè)到光子的情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種可以產(chǎn)生量子真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)源，實(shí)現(xiàn)保密系統(tǒng)中無序密鑰的產(chǎn)生，該隨機(jī)源利用45°偏振的線偏振光子通過偏振分束器后被隨機(jī)地分成垂直偏振和水平偏振兩路來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，其主要由光量子真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分、光量子真隨機(jī)數(shù)采集部分和隨機(jī)數(shù)處理流程組成，其優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨機(jī)數(shù)是根據(jù)光量子的隨機(jī)特性而產(chǎn)生的，所以無法被破譯，隨機(jī)性好，隨機(jī)采集速度快，應(yīng)用方便。
文檔編號(hào)H04K1/00GK1558581SQ200410016009
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月19日
發(fā)明者陳修亮, 周春源, 吳光, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)