專利名稱：產(chǎn)生隨機數(shù)的方法和隨機數(shù)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生隨機數(shù)的方法和一種隨機數(shù)發(fā)生器，所述方法和發(fā)生器可用于信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，例如密碼學(xué)，尤其是未來的量子計算機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
完全無序和具有均勻頻率的外部特性的隨機數(shù)被廣泛應(yīng)用于社會現(xiàn)象、物理現(xiàn)象等等的數(shù)字仿真。隨機數(shù)在密碼學(xué)中同樣起著重要的作用，并且在信息安全領(lǐng)域得到了大量關(guān)注。目前已經(jīng)研究和開發(fā)了各種生成隨機數(shù)的方法，但幾乎都只能以軟件算法來產(chǎn)生偽隨機數(shù)。
目前，隨機數(shù)的算法生成方法基于一定程度的可靠性和高速隨機數(shù)產(chǎn)生而可以廣泛應(yīng)用。然而，一般來說，由于計算機只能產(chǎn)生一定范圍的信息，因此，計算機產(chǎn)生的隨機數(shù)具有一個指定周期。這樣一來，在數(shù)字仿真中無法得到精確的解決方案，而在信息安全中也不能實現(xiàn)足夠的安全性?；谶@種觀點，較為理想的是得到更加完全無序的隨機數(shù)。
近來，隨著硬件處理速度和可靠性的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)了一種隨機數(shù)的物理生成方法。舉例來說，眾所周知，諸如熱電噪聲或者放射性衰變這種基于物理現(xiàn)象而產(chǎn)生的隨機數(shù)具有很低的可預(yù)測性，從而是很理想的。然而，所述物理生成方法需要大規(guī)模設(shè)備來產(chǎn)生隨機數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于使用簡單便宜的設(shè)備來提供一種用于產(chǎn)生具有完全無序隨機數(shù)的新的方法和一種用在所述隨機數(shù)生成方法中的隨機數(shù)發(fā)生器。
為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生隨機數(shù)的方法，其中包括以下步驟向一個具有振蕩頻率控制部分的振蕩電路施加隨機控制電壓，以便在輸出隨機控制電壓的情況下產(chǎn)生分別與來自振蕩電路的頻率信號相對應(yīng)的隨機振蕩電壓。
為振蕩電壓的幅度定義一個指定閾值，以及根據(jù)閾值以及振蕩電壓幅度之間的數(shù)值關(guān)系來為振蕩電壓分配數(shù)字“0”和“1”，從而產(chǎn)生一個二進制隨機數(shù)。
本發(fā)明還涉及一種隨機數(shù)發(fā)生器，其中包括一個振蕩電路，具有振蕩頻率控制部分，一個控制電壓施加裝置，用于向振蕩電路施加隨機控制電壓，一個處理裝置，用于向與來自振蕩電路的頻率信號相對應(yīng)的隨機振蕩電壓定義一個閾值，以及基于閾值與隨機振蕩電壓振幅之間的關(guān)系而將數(shù)字“0”和“1”分配給隨機振蕩電壓。
本發(fā)明的發(fā)明人進行了認真研究，發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生完全無序隨機數(shù)的新方法。在研究和開發(fā)隨機數(shù)產(chǎn)生方法的過程中，研發(fā)了各種用于產(chǎn)生隨機數(shù)的隨機數(shù)發(fā)生器一種是利用一個已知的噪聲產(chǎn)生電路，其它的則是利用一個給定的間歇切換開/關(guān)的振蕩電路和一個已知的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(日本專利申請No.2000-222525，2002-221197和2002-282842)。當(dāng)然，在采用上述常規(guī)隨機數(shù)發(fā)生器的情況下，隨機數(shù)的產(chǎn)生速率很低，大約是在100/秒。然而，對于常規(guī)隨機數(shù)產(chǎn)生器的實際應(yīng)用而言，較為理想的是提高隨機數(shù)的產(chǎn)生速率。
根據(jù)這種觀點，發(fā)明者還進行了認真研究，以便提高隨機數(shù)產(chǎn)生速率。最后，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，如果將一個振蕩頻率控制部分一個已知振蕩電路中安置一個振蕩頻率控制部分并從給定噪聲產(chǎn)生電路向振蕩電路施加隨機控制電壓，那么將會從振蕩電路中以很高速度來產(chǎn)生隨機振蕩電壓。因此，如果按照慣例將一個預(yù)定閾值定義為振蕩電壓的幅度，那么，根據(jù)閾值與振蕩電壓幅度之間的數(shù)值關(guān)系高速產(chǎn)生二進制隨機數(shù)，以便實現(xiàn)本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，由于可以高速無序的產(chǎn)生二進制隨機數(shù)，因此，諸如密碼學(xué)等信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的處理速度，尤其可以顯著提高未來量子計算機領(lǐng)域中的處理速度。


為了更好的理解本發(fā)明，以下將對附圖加以參考，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選隨機數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖，圖2是本發(fā)明的隨機數(shù)發(fā)生器中包圍振蕩電路的電路圖，圖3是本發(fā)明的隨機數(shù)發(fā)生器中的另一個振蕩電路的電路圖，圖4是本發(fā)明的隨機數(shù)發(fā)生器中的噪聲產(chǎn)生電路的電路框圖，圖5是對圖2所示振蕩電路進行修改的振蕩電路的電路圖，圖6是本發(fā)明的產(chǎn)生方法和發(fā)生器所產(chǎn)生的隨機數(shù)的二進制頻率分布。
具體實施例方式
本發(fā)明將參考附圖而被詳細描述。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選隨機數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖。在圖1所示的隨機數(shù)發(fā)生器中，噪聲產(chǎn)生電路10、有振蕩頻率控制部分的振蕩電路20、A/D轉(zhuǎn)換器30以及個人計算機40它們之間是連續(xù)互連。由于振蕩電路20包括振蕩頻率控制部分，因此振蕩電路20基于來自振蕩頻率控制部分的信號，所述電路對振幅方面具有不同頻率的信號進行振蕩。DC電源50連接到噪聲產(chǎn)生電路10。
在從DC電源50向噪聲產(chǎn)生電路10施加一個給定電壓的時候，隨機電壓信號是從噪聲產(chǎn)生電路10中產(chǎn)生的，然后，將所述信號作為控制電壓施加到振蕩電路20。在這種情況中，具有不同頻率的信號是從振蕩電路20的振蕩中得到的。因此，在檢測到信號振蕩電壓的時候，振蕩電壓同樣會在隨機電壓信號上隨機波動。
然后，將振蕩電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器30，以便進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，之后將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入個人計算機40。在這種情況下，如果定義了一個振蕩電壓幅度的預(yù)定閾值，則確定了閾值與振蕩電壓幅度之間的數(shù)值關(guān)系，并且數(shù)字“1”分配給了幅度高于閾值的振蕩電壓，數(shù)字“0”則分配給了幅度低于閾值的振蕩電壓，數(shù)字“1”和“0”是可以隨機產(chǎn)生的，由此可以產(chǎn)生二進制隨機數(shù)。
在此，在圖1所示的隨機數(shù)發(fā)生器中，由于振蕩頻率控制部分包含在振蕩電路20之中，因此，在應(yīng)用了來自噪聲產(chǎn)生電路10的隨機控制電壓的情況下，隨機振蕩電壓可以高速產(chǎn)生隨機振蕩電壓，因此，也可以高速產(chǎn)生涉及數(shù)字“1”和“0”的二進制隨機數(shù)。
圖2是振蕩電路20的實施例的電路框圖。在圖2中，將振蕩電路20構(gòu)造成數(shù)字振蕩電路，并且包括一個電源電壓電路和一個振蕩電路部分。
在振蕩電路部分，一個外部正反饋電路和一個內(nèi)部正反饋電路相結(jié)合。外部正反饋電路由TLL邏輯IC1-IC3、電阻R1(510Ω)和R2(510Ω)以及電容器C1(47pF)和C2(47pF)構(gòu)成。內(nèi)部正反饋電路由TLL邏輯IC2，電阻R1和R2，電容器C1和C2，電容器C3(200pF)和一個線圈L1(20μH)構(gòu)成。可變電容二極管VC1與電阻R3(100kΩ)經(jīng)由電容器C4(68pF)而與線圈L1和電容器C3的結(jié)合點相連。在本實施例中，振蕩電路20的振蕩頻率控制部分由電容器C4、電阻R3以及可變電容二極管VC1構(gòu)成。
在從電源電壓電路部分向振蕩電路施加一個給定電源電壓的時候，振蕩電路部分會在反饋中被重復(fù)操作并且會在振蕩電路部分得到放大，從而作為來自外部的頻率信號而被振蕩。
在這種情況下，當(dāng)把隨機控制電壓從噪聲產(chǎn)生電路中經(jīng)由可變電容二極管VC1輸入圖2所示的振蕩電路20時，基于隨即控制電壓，可變電容器VC1的電容將會隨機地波動。因此，所產(chǎn)生和振蕩的電壓信號的頻率將被隨機波動，以便從振蕩電路20的振蕩電路部分以很高速度來具有不同頻率的隨機電壓信號。隨機電壓信號被輸入A/D轉(zhuǎn)換器30并且進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后則在個人計算機40中進行處理，以便為關(guān)于隨機電壓信號幅度設(shè)定一個預(yù)定閾值，從而以很高速度來產(chǎn)生二進制隨機數(shù)。
在圖2中，盡管在振蕩電路20中除了振蕩電路部分之外還提供了電源電壓電路部分，但是可以在沒有電源電壓電路部分的情況下將電源電壓從外部電源直接輸入振蕩電路20(振蕩電路部分)。
在圖2所示的振蕩電路20中，將一個矩形波輸入到了電源電壓電路部分，電源電壓將會間歇振蕩，以便產(chǎn)生不同頻率的隨機電壓信號。然而，在沒有矩形波的情況下，電源電壓也會穩(wěn)定的產(chǎn)生并被施加到振蕩電路部分。在后一種情況中，不同頻率的隨機電壓信號是基于振蕩頻率控制部分中可變電容二極管VC1的電容隨機波動而產(chǎn)生的。由此可以高速產(chǎn)生二進制隨機數(shù)。
在這里，電源電壓間歇振蕩可以增強隨機電壓信號的隨機程度，由此可以更簡單地產(chǎn)生更無序的二進制隨機數(shù)。
圖3是振蕩電路20的另一個實施例的電路框圖。在圖3中，將振蕩電路20構(gòu)造成模擬振蕩電路。當(dāng)把一個給定電源電壓從電源電壓電路部分施加到振蕩電路20的振蕩電路部分時，振蕩電路部分以正反饋方式進行操作并且經(jīng)由晶體管T1的集極、線圈L2以及晶體管T1的基極而被放大，以便進行振蕩。振蕩電路部分的振蕩頻率是基于線圈L2以及電容器C5(250pF)來決定的。在本實施例中，振蕩電路20的振蕩頻率控制部分是由電容器C6(10pF)以及連接到電容器C6的可變電容二極管VC2和電阻R4(100kΩ)所構(gòu)成的。
隨機控制電壓從圖4所示的噪聲產(chǎn)生電路10中經(jīng)由可變電容二極管VC2輸入圖3所示的振蕩電路20，可變電容二極管V2的電容量根據(jù)隨機控制電壓的隨機波動而被隨機波動。因此，所產(chǎn)生和振蕩的電壓信號的頻率會被隨機波動，以便高速提供具有不同于振蕩電路20的振蕩部分頻率的隨機電壓信號。所述隨機電壓信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器30并且進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后，在個人計算機40中對所述信號進行處理，以便設(shè)置隨機電壓信號幅度的預(yù)定閾值，從而高速產(chǎn)生二進制隨機數(shù)。
在圖3中，盡管在振蕩電路20中除了振蕩電路部分之外還提供了電源電壓電路部分，但是也可以在沒有電源電壓電路部分的情況下將電源電壓從外部電源直接輸入振蕩電路20(振蕩電路部分)。
在圖3所示的振蕩電路20中，將一個矩形波輸入到電源電壓電路部分，電源電壓間歇振蕩，以便產(chǎn)生不同頻率的隨機電壓信號。當(dāng)然，在沒有矩形波的情況下，電源電壓將會穩(wěn)定產(chǎn)生并被施加到振蕩電路部分。在后一種情況中，不同頻率的隨機電壓信號是基于振蕩頻率控制部分中可變電容二極管VC2的電容隨機波動來產(chǎn)生的，由此可以高速產(chǎn)生二進制隨機數(shù)。
在這里，電源電壓的間歇振蕩可以增強隨機電壓信號的隨機程度，因此，可以更為簡單地產(chǎn)生更加無序的二進制隨機數(shù)。
圖4是噪聲產(chǎn)生電路10的一個實施例的電路框圖。在所述實施例中，噪聲產(chǎn)生電路是由階式排列在圖4中的兩個反饋放大電路所構(gòu)成的。在將一個給定DC電壓施加到上述反饋放大電路時，在二極管D2中將會產(chǎn)生微小噪聲，然后上述噪聲在運算放大器E1和E2放大，以便將噪聲信號的峰值電壓放大若干伏特。由此得到的放大噪聲信號作為控制信號施加到了圖1所示的振蕩電路20。
圖5是圖2所示振蕩電路20的修改實施例的電路框圖。在圖5所示的振蕩電路20中，在振蕩頻率控制部分中經(jīng)由電阻R5提供了一個接觸按鈕，這與圖2所示不同。在這種情況下，對圖2或3中描述的振蕩電路20而言，其輸出端連接到圖5所示的振蕩電路20的接觸按鈕，由此兩個振蕩電路可以相互連接。
在正常操作中，由于振蕩電路本身就有可能存在一定程度的波動，因此，所要產(chǎn)生和振蕩的振蕩信號的頻率可能也會波動。這樣一來，如果如上所述連接兩個振蕩電路，那么，從圖5所示的后方振蕩電路20產(chǎn)生并振蕩的振蕩信號頻率會比圖2或者3中所示的前方振蕩電路20所產(chǎn)生和振蕩的振蕩信號頻率更加隨機地波動。結(jié)果，如果檢測來自圖5所示的振蕩電路20中的振蕩信號的振蕩電壓并將其與預(yù)定閾值進行比較，則很容易高速產(chǎn)生涉及數(shù)字“1”和“0”的更隨機的二進制隨機數(shù)。
在涉及兩個振蕩電路組合的上述實施例中，僅僅將控制電壓僅僅施加到后面的振蕩電路，但是也可以將其僅僅施加于前面的振蕩電路。此外，如果將另一個控制電壓施加到前面的振蕩電路，則可以通過前面和后面的振蕩電路來產(chǎn)生并振蕩隨機振蕩信號。在這種情況下，二進制隨機數(shù)的隨機程度可以得到增強。
在上述實施例中組合了兩個振蕩電路，但是也可以相互組合三個或更多振蕩電路。在這種情況下，二進制隨機數(shù)的隨機程度更為增強。在組合三個振蕩電路的情況下，振蕩電路可以用環(huán)形方式相互連接(第一振蕩電路→第二振蕩電路→第三振蕩電路)，也可以交叉連接(第一振蕩電路→第二振蕩電路，第二振蕩電路→第一振蕩電路和/或第二振蕩電路→第三振蕩電路，第三振蕩電路→第二振蕩電路和/或第三振蕩電路→第一振蕩電路，第一振蕩電路→第三振蕩電路)。
圖6是圖2所示振蕩電路20和圖4所示噪聲產(chǎn)生電路10所產(chǎn)生的隨機數(shù)的二進制頻率分布。如圖6所示，并沒有創(chuàng)建條形圖案并且僅僅創(chuàng)建了圓點，結(jié)果，給定的二進制隨機數(shù)是由振蕩電路20和噪聲產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的。
盡管參考上述實施例而對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述內(nèi)容，并且可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下做出各種變換和修改。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過采用簡單廉價的設(shè)備，可以提供一種產(chǎn)生完全無序隨機數(shù)的新方法和一種在所述隨機數(shù)生成方法中使用的隨機數(shù)發(fā)生器。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生隨機數(shù)的方法，包括以下步驟向一個具有振蕩頻率控制部分的振蕩電路施加隨機控制電壓，以便根據(jù)所述隨機控制電壓產(chǎn)生與來自所述振蕩電路的頻率信號相對應(yīng)的隨機振蕩電壓，為所述振蕩電壓的幅值確定一個給定的閾值，根據(jù)所述閾值與振蕩電壓的幅度之間的幅度關(guān)系，為所述振蕩電壓分配數(shù)字“0”和“1”，以產(chǎn)生一個二進制隨機數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述振蕩頻率控制部分包括一個可變電容二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中噪聲產(chǎn)生電路產(chǎn)生所述的振蕩頻率控制電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的產(chǎn)生方法，其中所述噪聲產(chǎn)生電路包括一個噪聲產(chǎn)生元件和一個噪聲放大元件。
5.如權(quán)利要求4所述的產(chǎn)生方法，其中所述的噪聲產(chǎn)生元件包括一個二極管。
6.如權(quán)利要求4所述的產(chǎn)生方法，其中所述的噪聲產(chǎn)生元件包括一個運算放大器。
7.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述的振蕩電路作為一種數(shù)字振蕩電路被構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述的振蕩電路作為一種模擬振蕩電路被構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述的振蕩電壓是在A/D轉(zhuǎn)換器中進行數(shù)字變換的。
10.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述的振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述隨機控制電壓施加到所述第二振蕩電路，以便從所述第二振蕩電路中產(chǎn)生和振蕩頻率信號，所述閾值是對于所述頻率信號振蕩電壓的幅值被確定的，以便根據(jù)所述閾值與所述振蕩電壓幅值之間的數(shù)值關(guān)系來分配數(shù)字“0”和“1”，以便產(chǎn)生所述二進制隨機數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述隨機控制電壓施加到所述第一振蕩電路，以便從所述第二振蕩電路中產(chǎn)生并振蕩頻率信號，所述閾值是對于所述頻率信號振蕩電壓的幅值被胡定的，以便根據(jù)所述閾值與所述振蕩電壓幅值之間的數(shù)值關(guān)系來分配數(shù)字“0”和“1”，以便產(chǎn)生所述二進制隨機數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生方法，其中所述振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述隨機控制電壓施加到所述第一振蕩電路和第二振蕩電路，以便從第二振蕩電路中產(chǎn)生并振蕩頻率信號，所述閾值是對于所述頻率信號振蕩電壓的幅值被確定的，從而根據(jù)所述門限數(shù)值與所述振蕩電壓幅值之間的數(shù)值關(guān)系來分配數(shù)字“0”和“1”，從而產(chǎn)生所述二進制隨機數(shù)。
13.一種隨機數(shù)發(fā)生器，包括一個振蕩電路，該振蕩電路具有一個振蕩頻率控制部分，一個控制電壓施加裝置，用于向所述振蕩電路施加隨機控制電壓，一個處理裝置，用于給與來自所述振蕩電路的頻率信號相對應(yīng)的隨機振蕩電壓確定一個閾值，并根據(jù)所述閾值與所述振蕩電壓的幅值之間的數(shù)值關(guān)系來為所述振蕩電壓分配數(shù)字“0”和“1”。
14.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的頻率控制部分包括一個可變電容二極管。
15.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的控制電壓施加裝置包括一個噪聲產(chǎn)生電路。
16.如權(quán)利要求15所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述噪聲產(chǎn)生電路包括一個噪聲產(chǎn)生元件和一個噪聲放大元件。
17.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的噪聲產(chǎn)生元件包括一個二極管。
18.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的噪聲產(chǎn)生元件包括一個運算放大器。
19.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的振蕩電路作為一種數(shù)字振蕩電路被構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的振蕩電路作為一種模擬振蕩電路被構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的振蕩電壓在一個A/D轉(zhuǎn)換器中進行數(shù)字變換。
22.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述控制電壓施加裝置連接到所述第二振蕩電路，以便向所述第二振蕩電路施加控制電壓，并且振蕩來自所述第二振蕩電路的頻率信號。
23.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述控制電壓施加裝置連接到所述第一振蕩電路，以便向所述第一振蕩電路施加所述控制電壓，并且振蕩來自所述第二振蕩電路的頻率信號。
24.如權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其中所述的振蕩電路包括第一振蕩電路和與所述第一振蕩電路電氣相連的第二振蕩電路，所述控制電壓施加裝置連接到所述第一振蕩電路和第二振蕩電路，以便向所述第一振蕩電路和所述第二振蕩電路施加所述控制電壓，并且振蕩來自所述第二振蕩電路的頻率的頻率信號。
全文摘要
隨機控制電壓從噪聲產(chǎn)生電路施加到一個具有振蕩頻率控制部分的振蕩電路，以便產(chǎn)生對應(yīng)于振蕩電路頻率信號的隨機振蕩電壓。隨機振蕩電壓在A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換之后輸入到個人計算機，為隨機振蕩電壓幅度定義一個給定閾值，根據(jù)所述閾值與振蕩電壓幅度之間的數(shù)值關(guān)系來為振蕩電壓分配數(shù)字“0”和“1”。結(jié)果可以產(chǎn)生一個涉及數(shù)字“0”和“1”的二進制隨機數(shù)。
文檔編號G06F7/38GK1536477SQ20031011417
公開日2004年10月13日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者齊藤義明 申請人:新潟大學(xué), 新 大學(xué)