量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及方法，尤其涉及一種量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史.至今仍有統(tǒng)計(jì)學(xué)者繼續(xù)研究隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生的方法和理論.隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，最早的方法稱為手工方法.即采用抽簽、擲骰子、抽牌、搖號(hào)或者從攪亂的罐子中取帶數(shù)字的球等方法，許多彩票的發(fā)行仍采用這種方法。隨著計(jì)算機(jī)和模擬方法的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)成為新的課題。利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)有兩種方法，在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入隨機(jī)數(shù)表和把具有隨機(jī)性質(zhì)的物理過程變換為隨機(jī)數(shù)，如粒子的輻射性，裂變等等。后者得到的隨機(jī)數(shù)均勻性和隨機(jī)性都很好，而且取之不盡的，但是缺點(diǎn)也明顯，對(duì)計(jì)算的結(jié)果不能重復(fù)檢驗(yàn)，這種物理隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生需要大量的人力物力去檢查和維修，成本過高。而數(shù)學(xué)方法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，雖然產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)為偽隨機(jī)的，正是因?yàn)樗恼加脙?nèi)存少、速度快、可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)。隨機(jī)數(shù)的應(yīng)用范圍很廣，對(duì)于隨機(jī)數(shù)的均勻性，隨機(jī)性，獨(dú)立性的檢驗(yàn)也是不可缺少的，只有通過了檢驗(yàn)的隨機(jī)數(shù)才有更大的利用空間。產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的幾種常用方法有線性同余法、素?cái)?shù)模乘同余法、線性同余組合發(fā)生器(擴(kuò)大周期法)等。對(duì)比文件中采用的Mach-Zehnder延時(shí)環(huán)結(jié)構(gòu)使得前后兩個(gè)脈沖發(fā)生干涉，該干涉結(jié)構(gòu)偏振相關(guān)性較強(qiáng)，極易受環(huán)境干擾而不穩(wěn)定；另外，對(duì)比文件中采用延時(shí)環(huán)中增加空氣隙(air-gap)的方式來匹配脈沖激光器的重復(fù)頻率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，延時(shí)與損耗耦合嚴(yán)重，調(diào)整困難，這兩個(gè)缺點(diǎn)使得整個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生系統(tǒng)容易耦合進(jìn)環(huán)境噪聲，影響生成隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種速度快、效率高、輸出穩(wěn)定并且精確的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括脈沖激光器、隔離器、比較器和光電探測(cè)器；其特征在于:
[0005]所述脈沖激光器通過隔離器與延時(shí)環(huán)連接；延時(shí)環(huán)、光電探測(cè)器和比較器依次串耳關(guān);
[0006]還包括比較器和延時(shí)環(huán)；
[0007]所述延時(shí)環(huán)為Faraday-Michelson型N比特延時(shí)環(huán)，N彡I ;所述脈沖激光器工作在增益開關(guān)模式，用于輸出重復(fù)頻率為f的窄脈沖激光序列；所述脈沖激光器的重復(fù)頻率f通過精密調(diào)節(jié)，以獲得所述窄激光脈沖序列與延時(shí)環(huán)間的精確匹配；
[0008]所述窄脈沖激光序列經(jīng)過延時(shí)環(huán)，使兩個(gè)脈沖疊加并發(fā)生干涉；
[0009]所述光電探測(cè)器用于探測(cè)干涉結(jié)果，以獲得隨機(jī)脈沖信號(hào)；
[0010]所述比較器用于對(duì)所述隨機(jī)脈沖信號(hào)的幅度進(jìn)行比較，并輸出隨機(jī)比特:若光電探測(cè)器輸出電信號(hào)幅度在[V- δ，V+ δ ]之間，則輸出比特O ;若幅度大于ν+Δ，輸出+1 ;若幅度小于V- △，輸出-1。
[0011]V、δ和Δ均為電信號(hào)數(shù)值，δ和Δ是用于判斷信號(hào)V變化的一個(gè)小量，可根據(jù)實(shí)際信號(hào)值V的大小設(shè)定，原則上Δ>δ ;這里V是光電探測(cè)器的輸出電壓幅度的均值，δ和A需要我們依據(jù)系統(tǒng)的特性定義，使得輸出的隨機(jī)比特概率相同，原則上Δ>δ ;。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述窄脈沖激光序列經(jīng)過延時(shí)環(huán)，使第k個(gè)脈沖與第k+N個(gè)脈沖發(fā)生干涉，k多1，N多I。
[0013]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，光電探測(cè)器為Aro管或者PIN管。原則上高速的光電探測(cè)器都行，所以Aro管也是可以的，但是考慮到成本和響應(yīng)速度，PIN管更優(yōu)；這里單比特延時(shí)環(huán)就是N = I的特例而已，原則上來講，N越大隨機(jī)性越有保障，但是N大了，延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度就得增加，這樣受到環(huán)境的擾動(dòng)就會(huì)增加
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的另一種技術(shù)方案為:量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生方法，包括以下步驟:
[0015]將脈沖激光器工作在增益開關(guān)模式，通過脈沖激光器輸出重復(fù)頻率為f的窄脈沖激光序列；所述窄脈沖激光序列經(jīng)隔離器發(fā)送給延時(shí)環(huán)；
[0016]所述窄脈沖激光序列經(jīng)過延時(shí)環(huán)使得兩個(gè)脈沖疊加并發(fā)生干涉；同時(shí)，為了獲得激光脈沖序列與延時(shí)環(huán)間的精確匹配，通過精密調(diào)節(jié)脈沖激光器的重復(fù)頻率f ;所述延時(shí)環(huán)為Faraday-Michelson型N比特延時(shí)環(huán)，N ^ I ;
[0017]通過光電探測(cè)器探測(cè)干涉結(jié)果，以獲得隨機(jī)脈沖信號(hào)；
[0018]通過比較器對(duì)隨機(jī)脈沖信號(hào)的幅度進(jìn)行比較，并輸出隨機(jī)比特:若光電探測(cè)器輸出電信號(hào)幅度在[ν-δ，ν+δ]之間，則輸出比特O ;若幅度大于ν+Δ，輸出+1 ;若幅度小于V-A，輸出-1。
[0019]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述窄脈沖激光序列經(jīng)過延時(shí)環(huán)使第k個(gè)脈沖與第k+N個(gè)脈沖發(fā)生干涉，k彡1，N彡I。
[0020]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，光電探測(cè)器為APD管或者PIN管。
[0021]本發(fā)明的脈沖激光器工作在增益開關(guān)模式，輸出重復(fù)頻率為f的窄脈沖激光序列。脈沖經(jīng)過Faraday-Michelson型單比特延時(shí)環(huán)或者N比特延時(shí)環(huán)，使得前后兩個(gè)脈沖發(fā)生干涉。為了獲得好的干涉效果，通過精密調(diào)節(jié)脈沖激光器的重復(fù)頻率f，以獲得激光脈沖序列與延時(shí)環(huán)間的精確匹配。干涉結(jié)果被PIN管探測(cè)，獲得隨機(jī)脈沖信號(hào)。比較器對(duì)隨機(jī)的信號(hào)的幅度進(jìn)行比較，輸出隨機(jī)比特:若幅度為[V-δ，ν+δ ]，輸出比特O ;若幅度大于乂+八，輸出+1 ;若幅度小于V-Δ，輸出-1。這里的參數(shù)δ和Δ需要根據(jù)具體的模型進(jìn)行計(jì)算，獲得等比的輸出隨機(jī)比特。總之，本發(fā)明通過精細(xì)調(diào)節(jié)頻率f來匹配延時(shí)環(huán)、延時(shí)環(huán)采用Faraday-Michelson結(jié)構(gòu)；采用比較器獲得好的高速性能，因此本發(fā)明速度快、效率高、輸出穩(wěn)定并且精確。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式