使用光源和單光子探測器的隨機數生成方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本公開在一個或更多個實施方式中涉及使用光源和單光子探測器的隨機數生成 方法和隨機數生成裝置。更具體地，本公開涉及通過利用光源的統(tǒng)計特性和單光子探測器 的探測效率的優(yōu)勢來生成真隨機數的、使用光源和單光子探測器的隨機數生成方法和隨機 數生成裝置。
【背景技術】
[0002] 這部分的陳述僅僅提供與本公開相關的背景信息并且不一定構成現有技術。
[0003] 在從數值模擬到統(tǒng)計分析到密碼技術的種種應用中都需要隨機性。獲得隨機性的 方法已經從生成偽隨機數的簡單數學方法演進到通過利用物理現象生成真隨機數的方法。
[0004] 與偽隨機數生成器（PRNG)相反，真隨機數生成器（TRNG)是根據來自包括電阻器、 半導體二極管以及放射性材料在內的來源的電氣噪聲來生成真隨機數的概念。
[0005] 來自TRNG的同類，量子隨機數生成器（QRNG)通過利用量子力學的原理生成真隨 機數來實現TRNG。根據光的量子特性已經提出了各種各樣的QRNG來生成數據，并且它們中 的很多依賴于入射在分束器上的光子的表現。
[0006] 圖1是根據入射在分束器上的光子的表現的傳統(tǒng)的量子隨機數生成器（QRNG)的 示例圖。
[0007] 如圖1中所示，從光源110發(fā)出的光子120沿著兩條路徑中的其中一條路徑由分 束器130發(fā)射并且通過單光子探測器（Sro) 140和141中的相應的一個單光子探測器探測。 根據SPD140和141中的哪一個探測到入射的光子120,生成0或1。這種方法的缺點在于， 針對每個光子120只能生成一個比特并且實際實現方式生成的比特少的多。由于探測事件 有助于比特的生成，比特生成率受到探測速度和探測效率的限制，并且因此，用于生成隨機 比特的速度不可避免地比SPD140和141的最高探測速度低。作為對低速度的補充，提出 了一種具有多個單光子探測器來構造QRNG的方法，但是承受由于各單光子探測器的不同 探測效率導致的偏移。

【發(fā)明內容】

[0008] 技術問題
[0009] 因此，已經努力做出本公開來提供一種用于通過利用光的統(tǒng)計特性和單光子探測 器的探測效率的優(yōu)勢，通過多個單光子探測器來提高隨機數生成速度的隨機數生成裝置和 方法。
[0010] 解決方案
[0011] 根據本公開的至少一個實施方式，隨機數成成裝置包括光源和多個單光子探測 器。光源被構造成發(fā)出具有圍繞中心軸線對稱的光強度分布的光通量，多個sro被設置在 距離光源的中心軸線的延長線相等的徑向距離處并根據是否探測到光子來生成〇或1的比 特值。
[0012] 光源的光強度分布可以是包括高斯分布的軸對稱分布。
[0013] 光源可以使用光學元件，該光學元件被構造成對發(fā)光器件的光通量濾波以生成關 于所述中心軸線對稱的光通量。
[0014] 單光子探測器可以具有根據P=I-^Tnij+S表示的光探測概率，其中，P是單光子 探測器的光子探測概率，n是單光子探測器的探測效率，y是入射在單光子探測器上的光 通量的光強度，并且s是用于將單光子探測器的暗計數概率考慮在內的系數。
[0015]n、y和s的值可以被設置成使得單光子探測器的光子探測概率p為〇. 5。
[0016] 多個單光子探測器可以設置在距離光源的中心軸線的延長線相等的徑向距離處。
[0017] 隨機數生成裝置還可以包括隨機數生成功能，該隨機數生成器被構造成根據從多 個單光子探測器輸出的比特來生成隨機數。
[0018] 隨機數生成功能可以在各個時刻對從多個單光子探測器輸出的比特的組合按順 序排列，以生成隨機數。
[0019] 隨機數生成功能可以對從多個單光子探測器輸出的比特進行奇偶生成計算，以生 成隨機數。
[0020] 隨機數生成功能可以根據時刻順序對在同一時刻從多個單光子探測器輸出的比 特的組合按順序排列來生成原始比特串，并且根據所生成的原始比特串進行奇偶生成計算 來生成隨機數。
[0021] 隨機數生成功能可以向所生成的原始比特串應用預定大小的掩碼來生成奇偶位 并進行連續(xù)的奇偶位計算，以生成隨機數，各個奇偶位計算具有從生成當前奇偶位的位置 的至少一個比特位移。
[0022] 隨機數生成功能可以對從多個單光子探測器輸出的各個比特串進行奇偶生成計 算，以生成隨機數，然后對針對各個單光子探測器生成的奇偶位按順序排列。
[0023] 根據本公開的另一實施方式，一種利用光源和單光子探測器生成隨機數的方法包 括以下步驟：發(fā)出具有圍繞中心對稱的光強度分布的光通量；通過設置在距離光強度分布 的對稱軸相等徑向距離處的多個單光子探測器根據是否探測到光子來生成比特串；以及進 行用于基于從所述多個單光子探測器輸出的所述比特串生成所述隨機數的后期處理。
[0024] 根據本公開的又一實施方式，隨機數生成裝置被構造成利用通過在多個點處探測 來自從光源發(fā)出的光通量的單光子、將是否探測到該單光子轉換成〇或1的數字值然后對 該數字值進行數學計算而獲得的結果來生成隨機數。
[0025] 根據本公開的又一實施方式，用于生成隨機數的方法包括：利用通過在多個點處 探測來自從光源發(fā)出的光通量的單光子、將是否探測到該單光子轉換成〇或1的數字值然 后對該數字值進行數學計算而獲得的結果來生成隨機數。
[0026] 有益效果
[0027] 根據如上所述的本公開，可以通過N個單光子探測器針對各個時刻生成N個比特， 以便利用比根據單光子探測器生成真隨機數的其它方法高的速度來生成隨機數。
[0028] 各個單光子探測器的光探測概率可以通過調整單光子探測器的光子探測效率、入 射在單光子探測器上的光通量的發(fā)光強度等被設置成〇. 5,這使得可以在實踐中使用低成 本的發(fā)光二極管（LED)以及用于生成相干光脈沖的激光二極管乃至隨機光源。
[0029] 為了消除由于多個單光子探測器的性能差異等而在隨機數串中出現的偏移，可以 進行奇偶操作，從而增強隨機性。
[0030] 另外，根據本公開的至少一個實施方式的隨機數生成裝置可以生成真隨機數，因 此適用于量子密碼學應用。
【附圖說明】
[0031] 圖1是根據入射在分束器上的光子的表現的傳統(tǒng)的量子隨機數生成器（QRNG)的 示例圖。
[0032] 圖2是根據本公開的至少一個實施方式的隨機數生成裝置的構造的示意圖。
[0033] 圖3是從光源生成的光通量的光強度的分布的示例圖。
[0034] 圖4a和圖4b是用于通過順序地排列在各個時刻從各自單光子探測器輸出的比特 來生成隨機數串的方法的圖。
[0035] 圖5a、圖5b和圖5c是用于通過對通過順序地排列單位比特串而生成的原始比特 串進行異或運算（XORing)來生成隨機數串的方法的圖。
[0036] 圖6是用于通過對來自各自單光子探測器的單位比特串進行異或運算然后順序 地排列得到的串來生成隨機數串的方法的圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面，將參照附圖詳細描述本公開的至少一個實施方式。在下面的描述中，相同的 參考標記指定相同的元件，盡管這些元件被示出在不同的附圖中。另外，在至少一個實施方 式的下面的描述中，為了清晰和簡潔起見，將省略本文中包括的已知功能和結構的詳細說 明。
[0038] 此外，在描述本發(fā)明的部件時，使用如同第一、第二、A、B、（a)和（b)的術語。這