【技术实现步骤摘要】
本申请属于量子随机数发生器，尤其涉及一种激光相位噪声量子随机数发生器。
技术介绍
1、实用化的量子随机数发生器(quantum random number generator,qrng)依据测量结果的维度可以分为离散型方案和连续型方案。其中，离散型qrng其探测输出结果是离散的，原理简单、物理模型清晰，但是随机数产生速率受限于单光子探测器的死时间、后脉冲、时间抖动等因素，目前最快仅能达到100mbps量级。相较之下，连续型qrng在产生速率方面优势显著，通过采用高带宽的光电探测器或相干探测器，目前随机数产生速率已经可达100gbps量级，其代表性方案包括测量激光相位噪声、测量放大自发辐射噪声、测量真空涨落噪声等。其中，测量激光相位噪声方案通过构建不等臂干涉仪光路对激光光场的随机相位波动进行探测和提取，而激光光场相位波动源自激光器内部原子的自发辐射，是典型的量子随机过程，因此其具有良好的随机性，可用于产生真随机序列。该方案自提出后得到了广泛地关注和研究，其产生速率已由最初的100mbps量级提升至100gbps量级，尤其是，该方案所采用的干涉光路及探测器件可基于硅基光子学等技术进行芯片集成，因此该方案同时还具备良好的小型化、芯片化前景，有希望在未来实现低成本量产和大规模实际应用。
2、然而，在实际的使用环境中，由于振动、温度变化等因素，激光相位噪声方案qrng的不等臂干涉仪光路不可避免地会引入额外的相位漂移。这种由环境引起的相位漂移通常以100hz量级的频率在[-π,π)内随机变化，并且会显著影响探测结果的统计分布，从
3、i＝i0+i0·cos(ω0td+δθ(t)+φs+φc)
4、其中i0为与光场强度、探测器响应度等相关的常数，ω0为光场中心角频率，td为dl引入的延时。δθ(t)＝θ(t+td)-θ(t)为光场的不同时刻的初始相位之差，是源自激光器内部自发辐射效应的零均值高斯随机变量，同时也是该方案需要提取的核心对象。φs为环境所引入的相位漂移，φc是反馈控制加载的补偿相位。假定理想情况下，没有相位漂移与相位反馈控制，即φs＝φc＝0，则此时信号i为
5、i＝i0+i0·cos(ω0td+δθ(t))
6、其中ω0td为定值，则ω0td+δθ(t)具有固定的统计分布特性，因此可以对信号i进行采样、最小熵评估和随机性提取以产生随机序列。但是实际系统中，受环境因素影响，φs一般以100hz量级频率随机涨落，会直接影响信号i的统计分布，造成采集结果最小熵随之动态变化，无法进行稳定的随机性评估和提取。因此必须通过反馈控制φc以抵消φs的影响，通常通过相位补偿将信号i稳定在如下状态
7、it＝i0+i0·cos(π/2+δθ(t))＝i0+i0·sin(-δθ(t))
8、此时信号it统计分布稳定且幅度显著，有利于产生随机序列。
9、然而，这种方法依赖于光功率计对干涉光信号的强度进行测量评估以完成反馈控制，其缺点为1)光功率计是独立器件，体积较大、增加了系统组成复杂度，尤其不利于qrng系统的小型化、集成化设计；2)普通的光功率计测量精度有限且测量频率一般为10hz量级，而相位漂移的变化频率为100hz量级，因此很难实现快速、精准的反馈控制，而高速光功率计的测量频率虽然可以远超10khz量级，但是价格昂贵，显著增加了系统成本。
技术实现思路
1、本申请的目的在于：针对现有激光相位噪声qrng基于光功率计实现相位反馈控制所面临的体积大、复杂度高、速率慢、精度有限等问题，公开了一种激光相位噪声量子随机数发生器，通过采用pd和adc对干涉光信号进行探测采样，可快速实时分析当前qrng系统干涉光信号强度、量化计算相位漂移大小并进行反馈控制，有效提升控制精度和反馈补偿速度。
2、本申请目的通过下述技术方案来实现：
3、一种激光相位噪声量子随机数发生器，所述激光相位噪声量子随机数发生器包括：光源模块、不等臂干涉光路、探测模块、采样模块、控制处理模块和驱动模块；
4、其中，所述光源模块产生光信号并经过不等臂干涉光路输出至探测模块，探测模块对干涉光信号强度进行探测，所述采样模块对探测模块输出结果进行高速采样，采样模块的采样数据通过控制处理模块进行计算分析得到相位漂移的大小，然后通过驱动模块产生电信号对不等臂干涉光路加载补偿相位以抵消相位漂移，以使得激光相位噪声量子随机数发生器达到稳定状态；
5、同时，在激光相位噪声量子随机数发生器达到稳定状态时，控制处理模块对采样数据进行熵值评估和随机性提取以产生随机序列。
6、根据一个优选的实施方式，所述激光相位噪声量子随机数发生器的初始化阶段包括：
7、首先进行上电，控制处理模块通过驱动模块设定补偿相位φc＝0，探测模块对干涉光信号进行光电探测产生输出信号i＝i0+i0·cos(π/2+δθ(t)+φe)，其中i0为与光场强度、探测器响应度相关的常数，δθ(t)为光场的不同时刻的初始相位之差，φe为输出信号i相较于目标稳定状态的等效相位漂移；
8、采样模块对探测输出信号进行采样，采样速率为fs、采样数据长度为n，然后基于采样数据{i1,i2,...in}进行如下统计计算
9、i0＝(max(ii)+min(ii))/2
10、
11、其中，ib为采样数据均值相较于i0的归一化偏置。
12、根据一个优选的实施方式，所述激光相位噪声量子随机数发生器的控制阶段包括：
13、根据初始化阶段计算的归一化偏置ib，控制处理模块完成等效相位漂移φe计算，然后通过驱动模块向不等臂光路加载补偿相位φc以抵消相位漂移的影响。
14、根据一个优选的实施方式，控制阶段，控制处理模块根据ib计算等效相位漂移φe大小的过程包括：
15、当ib>0时，φe<0，φe的取值为φ1或φ2，其中：φ1＝-arcsin(ib)，φ2＝-π-φ1；
16、当ib<0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器包括：光源模块、不等臂干涉光路、探测模块、采样模块、控制处理模块和驱动模块；
2.如权利要求1所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器的初始化阶段包括：
3.如权利要求2所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器的控制阶段包括：
4.如权利要求3所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块根据Ib计算等效相位漂移φe大小的过程包括：
5.如权利要求4所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块根据φe计算补偿相位φc及其调制电压Vc大小，包括：
6.如权利要求5所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块通过驱动模块向不等臂干涉仪中的相位调制器加载调制电压Vc并判定补偿效果；
7.如权利要求6所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，当Ib＞0时，控制处理模块通过驱动模
8.如权利要求6所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，当Ib＜0时，控制处理模块通过驱动模块首先将Vc3加载至相位调制器，并采集数据计算其归一化偏置Ib3；然后将Vc4加载至相位调制器，并采集数据计算其归一化偏置Ib4，因此根据Ib3、Ib4的绝对值大小判定正确的调制电压Vr，即|Ib3|＜|Ib4|，则Vr＝Vc3；|Ib3|＞|Ib4|，则Vr＝Vc4。
9.如权利要求1所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器的稳定阶段包括：
...【技术特征摘要】
1.一种激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器包括：光源模块、不等臂干涉光路、探测模块、采样模块、控制处理模块和驱动模块；
2.如权利要求1所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器的初始化阶段包括：
3.如权利要求2所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，所述激光相位噪声量子随机数发生器的控制阶段包括：
4.如权利要求3所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块根据ib计算等效相位漂移φe大小的过程包括：
5.如权利要求4所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块根据φe计算补偿相位φc及其调制电压vc大小，包括：
6.如权利要求5所述的激光相位噪声量子随机数发生器，其特征在于，控制阶段，控制处理模块通过驱动模块向不等臂干涉仪中的相位调制器加载调制电压vc并判定补偿效果；
...【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，徐兵杰，刘金璐，吴梅，李扬，刘龙举，孙奥，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：
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