本发明专利技术公开了一种混合集成量子随机数发生装置及发生系统，包括本振光源以及光信号处理模块，本振光源连接在光信号处理模块的一输入端，还包括连接在光信号处理模块的真空态光信号输入端的杂散光消除器；本发明专利技术具有在真空态光信号输入端增加杂散光消除器件，保证真空态光场不受干扰，即保证随机源的量子随机性，减小体积、降低功耗，集成度高的优点。
A hybrid integrated quantum random number generator and generation system
【技术实现步骤摘要】
一种混合集成量子随机数发生装置及发生系统
本专利技术涉及量子随机数领域，更具体涉及一种混合集成量子随机数发生装置及发生系统。
技术介绍
随机数作为一种应用广泛的基础资源，在密码学、博彩、金融、人工智能、信息安全等领域都具有重要价值。通常，随机数分为伪随机数和物理随机数两大类。伪随机数是计算机利用固定的算法，对初始种子进行反复迭代运算产生的，因此具有周期性，只要获取其算法和种子便能破译伪随机数。物理随机数是基于物理随机现象产生的，包括经典随机现象和量子随机现象。典型的经典随机现象，如大气噪声、电子热噪声、振荡器抖动等，都可以作为随机源用于提取物理随机数。然而，经典物理随机现象的随机性难以进行严格的理论推导证明，且受限于经典物理随机熵源的带宽，上述方案的随机数生成速率难以达到Gbps量级。在某些特定条件下，获取经典物理随机源的关键参数信息，也有可能实现经典物理随机源的复制。量子随机数的随机性来源于量子力学，例如，量子世界中不可预测的测量坍缩导致的非确定性，是真正满足不可预测和不可复制特征的物理过程。换而言之，量子随机数是迄今为止唯一可在理论上被严格证明能产生完全不可预知随机序列的方法。量子随机数发生器根据使用的随机源不同，主要分为两大类：离散型和连续型。最早展开研究的是离散型量子随机数发生器，主要利用单光子源、纠缠光子对等信号作为随机变量的载体。该方案原理简单、便于建模，具有明显的量子非确定性。但受限于随机源的线宽和单光子探测器的探测效率，相比于连续型量子随机数发生器，该方案的随机数产生速率较低。连续型量子随机数发生器以激光相位波动、真空散粒噪声等作为熵源，光源强度不再是单光子量级，对应使用的探测器速率和探测效率也不再受光源限制，从而大幅提高随机数的产生速率，可实现Gbps量级的随机数生成速率。基于真空态的量子随机数方案，由于器件结构简单、环境适应性强、适宜小型化等优势，受到了广泛的关注和研究。公开号CN108536424A的专利申请文件提供了一种基于真空态的量子随机数发生器，包括：光源、分束器、第一探测器、第二探测器、减法器和模数转换器。光源将生成的相干光输出至分束器的第一输入端；分束器的第二输入端接收真空态；分束器将相干光和真空态分成两束光信号分别输出至第一、第二探测器；第一探测器将光信号转换成第一电流信号并将其输出至减法器的第一输入端；第二探测器将光信号转换成第二电流信号并将其输出至减法器的第二输入端；减法器将所接收到的第一电流信号和第二电流信号的差值输出至转换器；转换器将差值转换成离散的数字信号。该方案通过零差探测，提取了真空态随机信号，并转化为随机数字信号。该方案采用分立器件实现，整体尺寸大、功耗高。而且，由于分束器的分光比很难做到精准的50:50，因此分束器输出的两束信号光功率会存在差异，导致零差探测无法彻底消除本振光，影响真空态光信号的提取。公开号CN108491185A的专利申请文件公开了一种基于光电混合集成的高速实时量子随机数发生器，包括：依次连接的光源、随机数芯片与电子学读出电路，其中：所述随机数芯片包括：光分束器、第一与第二光衰减器、第一与第二光电探测器以及跨阻放大器；所述光分束器的两个输出端分别独立连接第一与第二光衰减器；第一光衰减器输出端连接第一光电探测器，第二光衰减器输出端连接第二光电探测器；第一与第二光电探测器的输出端连接跨阻放大器。该方案使用硅基波导技术实现了光学器件和电子学器件的芯片集成。但该方案随机数芯片部分仅集成了光信号后处理器件，光源部分仍需外接，其中以激光器连接分束器的一输入端，以激光器输出的连续激光作为本振光源，分束器的另一端空置，即作为真空态光。由于实际器件存在端面反射，无论是采用分立器件还是集成芯片，在光信号传输过程中，都会有部分被反射的杂散光进入分束器的空置输入端，将对真空态光场造成干扰。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于如何消除进入真空态光场的干扰信号，保证良好的量子随机性。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种混合集成量子随机数发生装置，包括本振光源以及光信号处理模块，本振光源连接在光信号处理模块的一输入端，还包括连接在光信号处理模块的真空态光信号输入端的杂散光消除器。通过在光信号处理模块输入端设置一杂散光消除模块，用于消除进入真空态光场的干扰信号，保证良好的量子随机性。优选的，所述光信号处理模块包括分束器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器、跨阻放大器，所述本振光源与所述分束器的一输入端连接，所述分束器有两路输出，且其两路输出端分别连接第一可调光衰减器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与所述跨阻放大器的输入端连接，所述分束器的另一输入端作为真空态光信号输入端，连接所述杂散光消除器，所述跨阻放大器的输出端作为光信号处理模块的输出端。优选的，所述分束器的分光比为50:50。作为本专利技术的一具体实施方案，所述本振光源、杂散光消除器与光信号处理模块集成为一芯片。优选的，所述本振光源与所述分束器的一输入端通过透镜耦合方式进行光耦合。优选的，所述分束器的一输入端波导上刻蚀光栅结构，所述本振光源通过倒装焊芯片工艺的形式与所述光栅结构进行光耦合。作为本专利技术的又一具体实施方案，所述杂散光消除器与光信号处理模块集成为一芯片。优选的，所述本振光源通过光纤与分束器的一输入端相连。上述两个具体实施方案中，所述杂散光消除器、分束器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器通过与CMOS工艺兼容的硅工艺平台实现单片集成。作为本专利技术的又一具体实施方案，所述本振光源、杂散光消除器、分束器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器通过Ⅲ-Ⅴ族工艺平台即采用磷化铟衬底实现单片集成。优选的，所述杂散光消除器与分束器的另一输入端通过硅波导相连，分束器的一输出端、第一可调光衰减器和第一光电探测器之间通过硅波导相连，分束器的另一输出端、第二可调光衰减器和第二光电探测器之间通过硅波导相连。优选的，所述第一光电探测器的阴极压焊点或阳极压焊点与第二光电探测器的阳极压焊点或阴极压焊点通过共电极压焊点的形式作为信号输出端，与跨阻放大器的输入端压焊点通过线焊形式相连。优选的，所述芯片为蝶形封装形式。优选的，所述本振光源为激光器。优选的，所述杂散光消除器为光衰减器、光电探测器或小曲率半径的弯曲光波导中的任一种。本专利技术还提供一种使用混合集成量子随机数发生装置的发生系统，包括混合集成量子随机数发生装置和模数转换器，所述混合集成量子随机数发生装置的输出端与所述模数转换器的输入端连接。优选的，所述混合集成量子随机数发生装置的发生系统还包括后处理器，所述后处理器的输入端与所述模数转换器的输出端连接。优选的，所述后处理器为可编程逻辑门阵列。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种混合集成量子随机数发生装置，包括本振光源以及光信号处理模块，本振光源连接在光信号处理模块的一输入端，其特征在于，还包括连接在光信号处理模块的真空态光信号输入端的杂散光消除器。/n
【技术特征摘要】
1.一种混合集成量子随机数发生装置，包括本振光源以及光信号处理模块，本振光源连接在光信号处理模块的一输入端，其特征在于，还包括连接在光信号处理模块的真空态光信号输入端的杂散光消除器。
2.根据权利要求1所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述光信号处理模块包括分束器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器、跨阻放大器，所述本振光源与所述分束器的一输入端连接，所述分束器有两路输出，且其两路输出端分别连接第一可调光衰减器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与所述跨阻放大器的输入端连接，所述分束器的另一输入端作为真空态光信号输入端，连接所述杂散光消除器，所述跨阻放大器的输出端作为光信号处理模块的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述分束器的分光比为50:50。
4.根据权利要求2所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述本振光源、杂散光消除器与光信号处理模块集成为一芯片。
5.根据权利要求4所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述本振光源与所述分束器的一输入端通过透镜耦合方式进行光耦合。
6.根据权利要求4所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述分束器的一输入端波导上刻蚀光栅结构，所述本振光源通过倒装焊芯片工艺的形式与所述光栅结构进行光耦合。
7.根据权利要求4所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述本振光源、杂散光消除器、分束器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器和第二光电探测器通过Ⅲ-Ⅴ族工艺平台即采用磷化铟衬底实现单片集成。
8.根据权利要求2所述的一种混合集成量子随机数发生装置，其特征在于，所述杂散光消除器与光信号处理模块集成为一芯片。
9.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：龚攀，刘建宏，冯斯波，
申请(专利权)人：山东国迅量子芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37
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