一种紧凑型量子随机数发生装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种借助自由空间光学器件实现的基于光子到达时间测量随机数原理的量子随机数发生装置及其标定方法。其中，无需借助光纤器件，仅借助自由空间光学器件即可进行光强控制，因此允许量子随机数发生装置结构紧凑。并且，由于无光学干涉仪等结构部件，无需进行相位反馈和维稳等过程，可以简化控制过程，且无需专门的电路控制，可以有效保证其稳定性和可靠性。和可靠性。和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型量子随机数发生装置及标定方法


[0001]本专利技术涉及量子信息
，具体涉及一种基于光子到达时间测量原理，借助自由空间光学器件实现的紧凑型量子随机数发生装置，以及用于该量子随机数发生装置的标定方法。

技术介绍

[0002]在量子通信系统中，随机数的应用随处可见，且对随机性要求非常严格。量子通信设备产生的密钥就是一个随机序列，该序列随机性的质量决定了密钥的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也十分广泛，在博彩活动、统计抽样、蒙特卡洛模拟及科学计算中，都扮演着重要角色。量子随机数发生器相对于基于数学算法的伪随机数发生器，使用基于量子力学原理的随机源，对随机变量进行测量得到输出信息，形成随机数。量子力学中的不确定性，真正满足不可预测和不可复制特征的物理过程，因此，基于量子随机源的方案也被称为真随机数发生器。
[0003]图1示出了现有技术中的一种量子随机数发生器(参见CN 109240645 A号中国专利申请)，其中通过光学干涉仪将激光的相位波动转换为激光强度涨落，采用常规光电探测器进行探测，而无需单光子探测器，由此可以提升随机数的生成速率。
[0004]图2示出了现有技术中的另一种量子随机数生成方法、装置及量子随机数发生器(参见CN 111090416 A号中国专利申请)，其中根据两个光信号各自的光强选取探测结果，不再按照时间进行间隔采样。由于根据两个光信号各自的光强选取探测结果，因此可以避免对存在误差甚至错误的探测信号进行采样生成数字信号，从而选取更加准确的探测信号，提高最终提取的随机数的随机性。
[0005]图3示出了现有技术中的一种小型化的随机数发生器(参见CN 106933532 A号中国专利申请)，该发生器基于激光相位噪声波动原理，通过光学干涉仪将激光相位噪声转换为强度波动，利用常规高速光电探测器实现光强探测，经过一系列后处理输出最终的随机数比特。该干涉仪结构简单，有利于小型化，随机数产生速率较高。
[0006]在上述已有的量子随机数发生装置或方法中，均采用基于激光相位噪声波动原理，普遍通过光学干涉原理将相位噪声转换为强度波动，从而可以采用普通的光电探测器对光强波动进行探测，这有利于提高量子随机数的生成速率。然而，这些装置或方法中普遍采用干涉仪结构，这类光学干涉仪对周围环境扰动通常比较敏感，如温度波动、振动等影响均会影响干涉仪的输出稳定性。另一方面，所采用的干涉仪结构，基本都依赖于光纤结构及光纤器件，各器件之间的连接头(无论采用光纤连接器或熔纤方案)会占用较大体积，加之有光纤的弯曲半径的限制，含有光纤结构的量子随机数发生装置难以真正实现紧凑化和小型化。
[0007]图4示出了现有技术中的一种基于全光纤结构的光子到达时间测量的随机数测量装置，其中，激光器发固定强度的连续光，通过光纤可调光衰减器(VOA)对连续激光进行衰减来实现单光子探测器所需光强。由于该随机数测量装置为全光纤结构，采用带有标准法
兰接头的插拔式光功率计即可完成光强标校。但是，其中使用的激光二极管、可调光衰减器、单光子探测器均为含有尾纤的器件，器件之间连接及盘纤等都会占用较大体积或空间，且三个器件均为电控有源器件，增加了驱动电路的要求，在进行小型化和紧凑化设计方面增加了难度。

技术实现思路

[0008]针对这一问题，本专利技术基于光子到达时间测量的随机数原理，提出了一种借助自由空间光学器件实现的量子随机数发生装置。由于没有使用光纤器件(例如光学干涉仪及其控制电路)，仅包含连续光激光器、部分自由空间光学器件、单光子探测器及相关驱动电路和数据处理电路等，借助光源进行光强的精细控制即可达到要求，因此，整个量子随机数发生装置结构紧凑。由此，量子随机数发生装置可以允许放置于紧凑的模块中，也有利于嵌入到其他功能板卡中，从而拓展量子随机数发生器的应用领域，尤其是一些中低随机数生成速率要求的场合。此外，由于无光学干涉仪等结构部件，无需进行相位反馈和维稳等过程，光学输出结果稳定性增加，且控制过程得以简化。光衰减部分采用自由空间无源光学器件实现，无需专门的电路控制，可以有效保证其稳定性和可靠性。
[0009]具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种紧凑型量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间
‑
数字转换单元及数据后处理单元；
[0010]所述激光光源用于生成连续的激光信号；
[0011]所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；
[0012]所述时间
‑
数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；
[0013]所述数据后处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；
[0014]其中，所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平。
[0015]进一步地，所述激光光源为激光二极管；并且，基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。
[0016]进一步地，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中的至少一种。其中，所述光发散元件被设置用于增加所述激光信号的发散角，所述自由空间衰减片被设置用于为通过的激光信号提供衰减。
[0017]可选地，所述光发散元件可以包括凹透镜，所述自由空间衰减片可以包括自由空间中性滤光片。
[0018]进一步地，所述激光光源为激光二极管。
[0019]更进一步地，本专利技术的量子随机数发生装置还可以包括激光二极管驱动电路，用于调节所述激光二极管的工作电流。
[0020]进一步地，所述单光子探测器为硅基单光子探测器或者铟镓砷材料的单光子探测器。
[0021]本专利技术的第二方面涉及用于上述量子随机数发生装置的标定方法，其包括第一步
骤和第二步骤，其中：
[0022]在所述第一步骤中，在所述量子随机数发生装置内用于放置单光子探测器的光敏面的设计位置上放置光学针孔，且紧贴所述光学针孔后方设置光功率计探头，所述光功率计探头连接光功率计；其中，所述光学针孔和光功率计探头被设置成使所述光功率计探头上能够接收到激光信号的光敏面面积与所述单光子探测器的光敏面面积一致；
[0023]在所述第二步骤中，记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时，所述激光光源的工作参数。
[0024]进一步地，当所述激光光源为激光二极管时，所述第二步骤被设置成：调节用于所述激光二极管的驱动电流，并记录使到达所述光功率计探头的光强达到预设值时的驱动电流值，作为所述激光二极管的工作电流。
[0025]进一步地，本专利技术的标定方法可以还包括移除所述光学针孔及光功率计探头和光功率计，将所述单光子探测器置于所述设计位置的步骤。
[0026]进一步地，所述光学针孔的直径被选择成与所述单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型量子随机数发生装置，其包括激光光源、单光子探测器、时间
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数字转换单元及数据后处理单元；所述激光光源用于生成连续的激光信号；所述单光子探测器用于对所述激光信号进行单光子探测并输出探测电信号；所述时间
‑
数字转换单元用于根据所述探测电信号，输出所述激光信号到达所述单光子探测器的时间与其参考时钟的时间差信息；所述数据后处理单元用于根据所述时间差信息生成量子随机数；其中，所述量子随机数发生装置还包括自由空间衰减单元，其被设置成不借助光纤器件地为所述激光信号提供固定衰减，以使到达所述单光子探测器的光敏面的激光信号光强衰减至单光子水平。2.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其中：所述激光光源为激光二极管；并且，基于所述激光二极管的本征发散角，以及所述激光二极管的出射面与所述单光子探测器的光敏面之间的距离来实现所述自由空间衰减单元。3.如权利要求1所述的量子随机数发生装置，其中，所述自由空间衰减单元包括光发散元件和自由空间衰减片中的至少一种；所述光发散元件被设置用于增加所述激光信号的发散角；所述自由空间衰减片被设置用于为通过的激光信号提供衰减。4.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述光发散元件包括凹透镜。5.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述自由空间衰减片包括自由空间中性滤光片。6.如权利要求3所述的量子随机数发生装置，其中，所述激光光源为激光二极管。7.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶俊，蒋连军，王立伟，刘仁德，于林，唐世彪，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：