【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于加密，特别是涉及一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统及方法。
技术介绍
1、随机数是加密协议的关键，从根本上决定着信息和通讯系统的隐私和安全。量子随机数发生器是量子保密通信的核心部件，基于量子物理内禀不确定性，具有信息论可证的随机性。过去的十多年，国内外相关领域对量子随机数发生器进行了大量的理论和实验研究，探索了多种量子熵源来产生随机数，如光子到达时间、光子数统计、量子态分量起伏等。基于量子态正交分量起伏测量的连续变量量子随机数发生器方案因可完整建立量子熵源和量子测量过程的物理模型，具有量子态易制备、高探测带宽、系统鲁棒性和可集成性强等优点尤具应用前景，其采用的相干探测方式通常有零差检测和外差检测两种方式。然而随机数的生成速率也有制约瓶颈，受到探测带宽、频谱增益、数据传输带宽等制约，本实施例需要对随机数发生器系统进行新的考虑。
2、另一方面，随机数生成速率的提升需要以其安全性得到保障为前提，安全性无保证则速率无意义。量子随机数生成器的物理实现中的任何缺陷都可能泄漏与生成随机数相关的信息，即所谓的边信息。在边信息存在的情况下，量子随机数安全性的根本在于对其熵源量子特性进行重构评估。以往随机数产生方案中通常以一劳永逸的方式评估最小熵，并不能保证qrng的安全性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于外差探测的自评估
3、所述外差探测系统包括：激光器、光混频器、平衡零拍探测器和上位机；所述激光器用于发射激光，所述光混频器设置于激光发射光路上，所述激光经过所述光混频器进行光混频后，分为四束分束光，四束分束光按预设排列顺序均分为两组，各组分束光对应的光路上均设置有平衡零拍探测器和功分器，各组分束光由对应的平衡零拍探测器进行探测，得到两路电信号，得到的各电信号经功分器的平均分配后，得到第一路信号和第二路信号；各所述功分器对应的第一路信号上设置有第一信号处理单元，各所述功分器对应的第二路信号上设置有第二信号处理单元；
4、所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元结构相同，均包括依次设置于光束上的混频模块、低通滤波模块、模数转换模块和fpga模块；
5、各所述fpga模块均对应连接有上位机。
6、可选的，所述激光器与所述光混频器之间的光路上依次设置有光衰减器和光纤偏振片。
7、可选的，所述混频模块包括并行设置的若干混频器，相邻所述混频器之间通过信号发生器连接。
8、可选的，所述低通滤波模块包括并行设置的若干低通滤波器。
9、可选的，所述fpga模块内集成有依次串联设置的toeplitz模块和dma模块，所述toeplitz模块和所述dma模块的输入端均与所述模数转换模块连接，所述dma模块的输出端通过axi4总线连接kld模块，所述kld模块还与所述上位机连接。
10、一种基于外差探测的自评估量子随机数生成方法，应用于所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，包括：
11、步骤一：构建并开启外差探测系统；
12、步骤二：将激光器发射的激光作为本振光，以真空态量子熵源作为信号光，通过光混频器将本振光和信号光进行混合，得到两路混合光，利用平衡零拍探测器将对应的混合光转换为光电信号，并利用功分器将光电信号分割成若干份，将分割后的光电信号与射频信号混频并进行滤波，得到滤波信号，实现多频带模并行提取；
13、步骤三：利用模数转换模块对所述滤波信号进行模数转换，得到原始随机序列；
14、步骤四：在每个时钟周期内，将所述原始随机序列输入fpga模块中进行后处理，构建数据流，将数据流传输到上位机进行通道解析，得到原始随机数和真随机数，利用真随机数作为控制信号触发随机抽取原始随机数的时钟；
15、随机抽取部分原始随机数，进行量子态重构和量子熵含量计算，得到相对熵，当所述相对熵处于预设安全范围外时，重新计算相对熵；当所述相对熵处于预设安全范围内时，持续生成随机数并进行后续步骤；
16、基于处于预设安全范围内的相对熵对fpga模块中的toeplitz矩阵进行更新和祛除边信息，得到更新后的fpga模块；
17、根据更新后的fpga模块对原始随机序列进行后处理，输出安全的量子随机数。
18、可选的，所述构建数据流，具体包括：
19、随机抽取部分原始随机数，将抽取的原始随机数与真随机数按照预设比例构建数据流。
20、可选的，所述进行量子态重构和量子熵含量计算，具体包括：
21、基于随机抽取的原始随机数重构真空态的相空间husimi分布；
22、计算重构真空态的相空间husimi分布与理想分布的距离，得到相对熵。
23、本专利技术的技术效果为：
24、(1)本专利技术实现了双分量的多路并行量子熵源提取。外差检测可以实现双分量的同步检测，具有更高的量子层析重建精度。此外可以通过对每个分量进行多频带的并行处理，实现二重或多重的熵源提取，成倍的提高随机数生成速率。
25、(2)本专利技术实现了实时量子态全息监测和熵含量计算。首先，基于外差探测的方式探测并放大真空场的量子起伏，将探测到的两个正交分量量子起伏作为随机数的熵源。使fpga各模块时钟同步，利用真随机数作为控制信号触发随机抽取原始随机数的时钟，原始随机数用于实时重构量子态相空间分布和实时评估量子熵含量。
26、(3)本专利技术实现了实时的熵评估反馈。采集并计算原始随机数的相对熵用于度量熵源量子态与纯量子态的偏差，当相对熵发生较大波动时重新进行量子最小熵评估，并实时地将评估结果反馈至后处理模块，保证了随机数生成过程的安全性。
27、(4)本专利技术实现了toeplitz矩阵规模的实时可调的硬件后处理。基于fpga的后处理模块，toeplitz矩阵提取器能够有效的祛除系统的边信息，同时实时熵评估结果通过pcie接口进行实时反馈，依据反馈内容可实时调整toeplitz矩阵规模，以满足实时产生随机数且后处理不间断的要求，使系统在受量子攻击或是熵源不安全的条件下仍能在基于量子最小熵的提取比例实时产生安全可信的随机数。
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1.一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，包括外差探测系统和与所述外差探测系统连接的上位机；
2.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述激光器与所述光混频器之间的光路上依次设置有光衰减器和光纤偏振片。
3.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述混频模块包括并行设置的若干混频器，相邻所述混频器之间通过信号发生器连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述低通滤波模块包括并行设置的若干低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述FPGA模块内集成有依次串联设置的Toeplitz模块和DMA模块，所述Toeplitz模块和所述DMA模块的输入端均与所述模数转换模块连接，所述DMA模块的输出端通过AXI4总线连接KLD模块，所述KLD模块还与所述上位机连接。
6.一种基于外差探测的自评估量子随机数生成方法，应用于权利要求1-5中
7.根据权利要求6所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成方法，其特征在于，所述构建数据流，具体包括：
8.根据权利要求6所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成方法，其特征在于，所述进行量子态重构和量子熵含量计算，具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，包括外差探测系统和与所述外差探测系统连接的上位机；
2.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述激光器与所述光混频器之间的光路上依次设置有光衰减器和光纤偏振片。
3.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述混频模块包括并行设置的若干混频器，相邻所述混频器之间通过信号发生器连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，其特征在于，所述低通滤波模块包括并行设置的若干低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种基于外差探测的自评估量子随机数生成系统，...
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