一種數(shù)據(jù)處理后置型的即時(shí)真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，更具體地，涉及一種具有高時(shí)效性的真隨機(jī)電信 號(hào)生成裝置及相應(yīng)的對(duì)隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出的數(shù)據(jù)后選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在許多現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用一一例如統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模 擬、算法設(shè)計(jì)和信息加密等。隨機(jī)發(fā)生器可分為三類(lèi):偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、準(zhǔn)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。其中偽隨機(jī)數(shù)與準(zhǔn)隨機(jī)數(shù)由各類(lèi)隨機(jī)數(shù)算法生成，前者具有較高的統(tǒng)計(jì) 隨機(jī)性，后者具有較高的統(tǒng)計(jì)均勻性。這兩種隨機(jī)數(shù)具有不需外部硬件支持，生成速度較高 的優(yōu)點(diǎn)，但由于生成的隨機(jī)序列由算法和初值決定，這兩類(lèi)隨機(jī)數(shù)的生成序列原則上可以 預(yù)測(cè)，本質(zhì)上并不是完全隨機(jī)的。在信息安全與信息加密方面，如果采用以上兩類(lèi)隨機(jī)數(shù)對(duì) 信息進(jìn)行加密處理，原則上攻擊者可以找到其中的數(shù)學(xué)規(guī)律，從而對(duì)密文實(shí)施分析破譯。不 同于偽隨機(jī)數(shù)與準(zhǔn)隨機(jī)數(shù)，真隨機(jī)數(shù)序列的生成基于各種量子隨機(jī)過(guò)程，例如電路噪聲、原 子衰變、宇宙射線等。依照量子力學(xué)的相關(guān)結(jié)論，當(dāng)系統(tǒng)處于某一力學(xué)量的量子疊加態(tài)時(shí)， 對(duì)該力學(xué)量的測(cè)量會(huì)令系統(tǒng)隨機(jī)塌縮至該力學(xué)量的某一本征態(tài)上，因此對(duì)該力學(xué)量測(cè)量的 結(jié)果是完全隨機(jī)的。所以真隨機(jī)數(shù)具有不可預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。此外，理想的真隨機(jī)數(shù)還應(yīng)具有不 可重復(fù)、無(wú)偏等特點(diǎn)。
[0003] 常見(jiàn)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器有以下幾種：
[0004] 1.基于光學(xué)分束器的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器[T.Jennewein，et al，Rev.Sci.Intrum.71， 1675(2000)]。其基本原理為當(dāng)光子通過(guò)50:50分束器時(shí)，反射和透射的概率均為1/2。將這 兩種事件分別計(jì)為〇和1，就可以得到一組隨機(jī)比特序列；
[0005] 2.基于光子到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器[M. Wahl et al，Appl·Phys·Lett·98， 171105(2011)]。其基本原理為當(dāng)相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔遠(yuǎn)大于光源的相干時(shí)間時(shí)，相鄰 兩次探測(cè)到光子之間的時(shí)間間隔是完全隨機(jī)的。將所測(cè)得的時(shí)間間隔歸一化后，可以得到 (〇，1]上的隨機(jī)數(shù)；
[0006] 3.基于激光隨機(jī)相位噪聲的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器[H.Guo et al，Phys.Rev.E 81，051137 (2010)]。其基本原理為當(dāng)出射激光之間的時(shí)間間隔遠(yuǎn)大于相干時(shí)間時(shí)，其之間的相位差可 以認(rèn)為是完全隨機(jī)的，因此令激光通過(guò)一不等臂的M-Z干涉儀(兩臂之間的時(shí)間延遲遠(yuǎn)大于 激光相干時(shí)間）后，激光經(jīng)干涉后的出射路徑完全隨機(jī)。由此可以得到一組隨機(jī)比特序列。
[0007] 現(xiàn)已有多種商業(yè)化的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器投入市場(chǎng)，如IDQ公司的QUANTIS產(chǎn)品（基于 光學(xué)分束器）、Pic〇Quant公司的PQRNG150產(chǎn)品（基于光子到達(dá)時(shí)間）等。根據(jù)以上各類(lèi)隨機(jī) 數(shù)發(fā)生器方案，在得到初始隨機(jī)數(shù)序列后，為了消除器件實(shí)際技術(shù)指標(biāo)與理論技術(shù)指標(biāo)不 符等因素對(duì)所得信息隨機(jī)性的影響，還需要對(duì)該序列進(jìn)行數(shù)學(xué)后處理過(guò)程，以使生成的隨 機(jī)序列獲得理想的統(tǒng)計(jì)特性。
[0008] 在量子密鑰分配[Kyo Inoue，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12_4,888(2006)]、驗(yàn)證量子非局域性[Simon Gr&blacheret al，Nature 446,871(2007)]等需要實(shí)時(shí)引入隨機(jī)性測(cè)量或調(diào)制的實(shí)驗(yàn)中，通常需要真隨機(jī)電信號(hào)來(lái)調(diào) 控實(shí)驗(yàn)儀器。如采用以上真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)生成隨機(jī)信號(hào)，意味著需要先得到一組初始隨 機(jī)序列，然后將該隨機(jī)序列輸入電腦等進(jìn)行后處理，之后將所得真隨機(jī)數(shù)序列轉(zhuǎn)換為電脈 沖信號(hào)輸出。由于后處理過(guò)程需要一定時(shí)間，因此產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)的時(shí)效性會(huì)大大降低。在這 里，時(shí)效性低是指從隨機(jī)信息生成（即量子塌縮發(fā)生時(shí)刻，對(duì)應(yīng)前文所述三種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生 器，相當(dāng)于光子通過(guò)光分束器的瞬間、原子躍迀出射光子瞬間和激光出射瞬間）到隨機(jī)電信 號(hào)輸出之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)。一方面，在量子密鑰分配等相關(guān)領(lǐng)域，隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)效性 越高，就意味著該隨機(jī)信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)性越低；另一方面，在驗(yàn)證量子力學(xué)非局域性等實(shí)驗(yàn) 中，當(dāng)隨機(jī)信號(hào)的時(shí)效性低于某一閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所謂的非局域漏洞，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信 度。簡(jiǎn)單來(lái)講，驗(yàn)證量子力學(xué)非局域性的實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)對(duì)空間上遠(yuǎn)離的兩個(gè)粒子分別進(jìn)行 某些隨機(jī)的測(cè)量。為使兩粒子之間無(wú)信息傳遞（即滿足局域性條件），實(shí)驗(yàn)中需要保證從隨 機(jī)信息生成到粒子被測(cè)量之間的時(shí)間間隔小于該隨機(jī)信息以光速傳播至另一粒子所需的 時(shí)間，這就要求隨機(jī)信號(hào)要具有極高的時(shí)效性。例如當(dāng)兩粒子相距20m時(shí)，要求上述時(shí)間間 隔小于67納秒，而以上真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的后處理時(shí)間遠(yuǎn)大于該時(shí)間量級(jí)。除了時(shí)效性低的 問(wèn)題，將隨機(jī)數(shù)轉(zhuǎn)換為隨機(jī)電信號(hào)輸出還需要附加信號(hào)發(fā)生器，這不僅增加了成本，也降低 了裝置集成度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] (一)要解決的問(wèn)題
[0010] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是使用現(xiàn)有的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)電信號(hào)，需要額 外附加信號(hào)發(fā)生器，設(shè)備集成度不高。而且從隨機(jī)信息生成到隨機(jī)電信號(hào)輸出之間的時(shí)間 間隔較長(zhǎng)，隨機(jī)信號(hào)生成的時(shí)效性較低。
[0011] (二)技術(shù)方案
[0012] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種數(shù)據(jù)處理后置型的即時(shí)真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生 器，包括一個(gè)光源、一個(gè)光分束器、兩個(gè)單光子探測(cè)器、兩個(gè)電分束器、兩個(gè)信號(hào)調(diào)制器、一 個(gè)隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置、一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置和一個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊;所述光源用于發(fā)出光子;所 述光分束器用于將所述光源發(fā)出的光子隨機(jī)地透射或反射;所述兩個(gè)單光子探測(cè)器分別位 于所述光分束器的透射光路和反射光路上，分別用于探測(cè)從所述光分束器透射和反射的光 子，并在探測(cè)到光子時(shí)產(chǎn)生一電脈沖信號(hào);所述兩個(gè)電分束器分別用于對(duì)兩個(gè)單光子探測(cè) 器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電分束后，分束后的一路輸入所述數(shù)據(jù)采集裝置，另一路分別通 過(guò)兩個(gè)信號(hào)調(diào)制器中的一個(gè)后輸入所述隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置;所述兩個(gè)信號(hào)調(diào)制器分別用于 對(duì)輸入的電脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，以匹配所述隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置所需電壓;所述隨機(jī)信 號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置用于在所述電脈沖信號(hào)的調(diào)控下輸出運(yùn)行結(jié)果和同步電脈沖信號(hào)，并將該同步 電脈沖信號(hào)輸入所述數(shù)據(jù)采集裝置;所述數(shù)據(jù)采集裝置用于將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理模 塊;所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符合處理，以使生成的隨機(jī)信號(hào)獲得良好的統(tǒng)計(jì)隨 機(jī)特性。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述光源由LED燈珠、單模光纖、光纖耦合器和可調(diào) 光衰減器構(gòu)成。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述電分束器輸出短上升時(shí)間、幅度相等的兩路電 信號(hào)，當(dāng)單光子探測(cè)器輸出高電平信號(hào)時(shí)，經(jīng)分束后的信號(hào)仍為邏輯高電平。
[0015] 4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理后置型的即時(shí)真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，其特征在于， 隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行輸出結(jié)果與輸出同步信號(hào)之間一一對(duì)應(yīng)。
[0016] 5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理后置型的即時(shí)真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，其特征在于， 數(shù)據(jù)采集裝置用于標(biāo)記各輸入端口每個(gè)高電平信號(hào)的輸入時(shí)刻。
[0017] 6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理后置型的即時(shí)真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，其特征在于， 從光子通過(guò)光分束器反射或透射到反射路或透射路信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集裝置所經(jīng)時(shí)間為T(mén)0， 光子通過(guò)所述光分束器到隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置輸出的對(duì)應(yīng)同步信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集裝置所經(jīng) 時(shí)間為T(mén)1，同步信號(hào)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)信號(hào)為延時(shí)，即T0-T1時(shí)刻的隨機(jī)信號(hào)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述數(shù)據(jù)處理模塊的符合處理包括:對(duì)反射路信號(hào) 與透射路信號(hào)做選擇處理，即先將反射路信號(hào)與透射路信號(hào)兩路信號(hào)之間時(shí)間間隔小于符 合窗口寬度的信號(hào)全部丟棄，再檢索同路信號(hào)中時(shí)間間隔小于符合死時(shí)間的信號(hào)，并丟棄 除最先產(chǎn)生的信號(hào)外的其他信號(hào)，最后得到真隨機(jī)信號(hào)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述數(shù)據(jù)處理模塊的符合處理只保留與選擇處理后 剩余真隨機(jī)信號(hào)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置同步信號(hào)。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述光分束器由偏振片和偏振分束器構(gòu)成，光通過(guò) 時(shí)分別以50 %的概率透射或反射。
[0021] (五)有益效果
[0022] 本發(fā)明和現(xiàn)有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] (1)本發(fā)明將信號(hào)調(diào)制電路集成在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器后，可直接輸出脈沖幅度可調(diào)且 脈沖上升時(shí)間較短的隨機(jī)電信號(hào)，而不必附加信號(hào)發(fā)生器。在保證較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)性的同時(shí)，提高 了裝置集成度。
[0024] (2)本發(fā)明將數(shù)據(jù)處理模塊置于隨機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置之后，在保證了信號(hào)隨機(jī)性的 同時(shí)大大縮短了隨機(jī)信息產(chǎn)生與隨機(jī)信號(hào)被使用之間的時(shí)間延遲。
[0025] (3)采用商業(yè)LE