自鉴别量子随机位发生器制造技术

本发明专利技术的各种不同实施方案均系针对能够集成为光电电路的自鉴别量子随机位发生器。在一种实施方案中，量子随机位发生器（１１００，１４００）包括含有电磁辐射源（１１０６，１４０６，１４１２）的传输层，电磁辐射源（１１０６，１４０６，１４１２）与分支成第一（１１１１），第二（１１１０），和第三（１１１２）波导的波导（１１０８，１４１４）相耦合。辐射源产生第一极化状态的电磁辐射脉冲。可操作极化旋转器（１１１４－１１１７）与第二和第三波导相耦合使在第二波导中传输的脉冲转换成第二极化状态及使在第三波导中传输的脉冲转换成第三极化状态。系统控制装置（１１０４）根据在第一波导中传输的脉冲的极化基态产生出位序列，并且根据第二和第三脉冲的极化基态用断层分析鉴别序列的随机性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到随机数发生器，特别是使用量子系统的量子力学特性产生随机位序列的方法和系统。
技术介绍
随机数在许多领域都有应用，包括游戏、统计采样、求解积分方程、粒子输运计算，以及统计物理学中的计算，仅举此几例。因此，随机数发生器(“RNG”)在使用随机数的方法和系统中扮演了重要的角色。例如，RNG是安全系统的关键部件并且广泛地用来产生用于密码学的密钥。理想的RNG产生事先不能够预测，不能可靠地复制，以及按照均匀分布进行分布的数。换言之，RNG在理论上可产生无偏随机数序列。不过，许多常用的RNG要么是产生形似随机数的序列要么是易于产生数的偏置序列。 使用公式和数字方法已经在软件上实现了产生形似随机数序列的RNG。基于软件的RNG通常是以公式为基础的RNG并称之为“伪随机数发生器”，因为只要使用同样的初始参数，这些公式就能够预测和复制伪随机数序列。递归的莱默(Lehmer)伪随机数发生器(“LPNG”)就是常用伪随机数的一个实例，其由下式给出 xn+1＝Axn+C(modM) 式中 Xn是随机数序列的第n个数；及 A，C，和M是可以对其进行调整以保证由LPNG产生的数序列看似随机的参数。 通常，指定M为计算机用来计算伪随机数序列的字长，而X0，即起动源，被赋以质数。例如，对A，C，和M分别地赋以数值21，1，和32(5位)，对X0赋以质数13时，LPNG产生具有以下伪随机整数13，18，27，24，25，14，7，等的序列。供选择的方法用每次起动伪随机数发生器时由计算机系统时钟所产生的时间可以起动伪随机数发生器。但是，即使使用由系统时钟所提供的时间也并不是绝对可靠的，因为人们可能能够在起动伪随机数发生器时就确定这一时间。 已经开发出根据由原子，分子，及电系统所产生的热噪声中检测到的无序波动来产生随机数序列的基于硬件的RNG。例如，由流过电阻器电流所产生的热噪声通过把数分配给电压平衡波动幅度便能够用作为随机数序列的源。但是，基于硬件的RNG并非总是可靠的，因为所利用的系统易于受环境变化的影响。例如，基于电噪声的RNG通过改变系统的温度能被偏置。此外，通常用来鉴别由基于硬件的RNG所产生之序列的随机性的方法是确定性的基于软件的方法，这些方法能够用来确定序列在统计学上是否性能良好但却不能用来计算序列的实随机性。而且，即使只是短暂的时间，具有适当模型或算法的足够强有力的数据处理系统也可能变得能够预测无序过程或热过程。 量子随机位发生器(“QRBG”)是另一类型基于硬件的RNG。位是在计算及信息处理中使用的最基本的信息单位，其存在于由二进制数“0”和“1”所表示的两种状态之一。QRBG以基本上相同的量子系统的量子力学特性为基础。随机数序列能够通过使每个数与对量子系统进行的测量结果相关来产生。以这种方式产生的数是真正随机的，因为每一测量把量子系统的状态投射到在进行该测量时许多可能状态中的一种状态，而且，根据量子力学的标准解释，无论怎样改进测量方法和测量设备也不能克服对量子系统所进行的测量的结果中的不确定性。因此，QRBG是产生随机数序列的最理想的系统。 量子测量可以用来产生随机位。例如，通过在含两个光电倍增管检测器的极化分束器上检测45°极化光子的传输和反射能够产生随机位序列，这两个光电倍增管检测器处在极化分束器的输出通道内。每个检测器记录检测事件有相同的概率，但我们不能预测那个检测器记录下一个检测事件。通过将二进制数“0”赋予在其中一个检测器的检测而二进制数“1”赋予在另一检测器的检测，能够建立随机二进制数序列。可以使用位序列产生随机整数序列。例如，假设将30个45°极化光子分开地传输至极化分束器产生出以下随机位序列 000110101011100101010111100100 这个序列能够分隔成5位字给出以2为底的随机数序列00011，01010，11100，10101，01111，和00100，其然后可以转换成以10为底的分别为随机整数3，10，28，21，15，和4的对应序列。 虽然QRBG看似提供了产生随机数序列的简便的方法和系统，但是QRBG可能更易于通过修改光子源来产生具有偏置位的序列。此外，通常用来鉴别由QRBG所产生之位序列的随机性的方法是确定性的基于软件的方法，这些方法对评价位序列是否真正是随机的并不可靠。物理学家、密码工作者、计算机科学家、以及量子信息用户已经认识到了对能够用来可靠地产生随机位序列，能够集成为光电设备，以及还能够使用依靠量子系统非确定性特性的方法检测，鉴别，和校正随机位序列中偏置的QRBG的需求。
技术实现思路
本专利技术的各种不同实施方案均系针对能够集成为光电电路的自鉴别量子随机位发生器。在本专利技术的一个实施方案中，自鉴别量子随机位发生器包括传输层和系统控制装置。传输层包括与分支成第一波导，第二波导，和第三波导的波导相耦合的电磁辐射源。另外，将电磁辐射源配置成产生第一极化态的电磁辐射脉冲。设置一个或多个极化旋转器并将其配置成使在第二波导中传输的脉冲转换成第二极化态和使在第三波导中传输的脉冲转换成第三极化态。将系统控制装置配置成根据在第一波导中所传输脉冲的极化基态产生位序列，以及根据在第二和第三波导中所传输脉冲的极化基态用断层分析来鉴别位序列的随机性。 附图说明 图1图示出立方体共振腔。 图2图示出以两个独立极化向量和一个归一化波向量为基向量的三维坐标系。 图3图示出在图2所示坐标系中电磁波的电场和磁场分量的图形。 图4为量子化电磁辐射的能级图。 图5图示出与从源所输出并在波导中传输至检测器的脉冲相关的概率分布。 图6A-6B示出了垂直和水平极化基态的曲线图。 图7图示出极化状态的波因凯尔球(Poincare sphere)图。 图8A-8D示出了四个极化状态的曲线图。 图9图示出斯托克斯参数(Stokes paramerers)的几何图形。 图10图示出代表本专利技术一种实施方案的量子随机数发生器的的总示意图。 图11图示出代表本专利技术一种实施方案的第一量子随机位发生器的示意图。 图12A-12B图示出代表本专利技术一种实施方案的开槽极化旋转器。 图13A-13B图示出代表本专利技术一种实施方案的斜脊极化旋转器。 图14A-14C图示出每个都代表本专利技术一个实施方案的三个不同随机位发生器的示意图。 图15图示出可以由代表本专利技术一种实施方案的系统控制装置记录的原始计数的虚拟序列。 图16图示出从代表本专利技术一种实施方案的原始计数序列产生出随机位序列。 图17图示出示于图10中对对手方案的量子随机数发生器。 图18为代表本专利技术一种实施方案的最小熵曲线图。 图19示出代表本专利技术产生随机位序列许多实施方案中之一个实施方案的控制流程图。 图20示出图19步骤1906中调用的例行程序“产生原始二进制数序列 ”的控制流程图，其代表了本专利技术诸多实施方案中的一个实施方案。 图21示出图19步骤1908中调用的例程“断层分析(tomographicanalysis)”的控制流程图，其代表了本专利技术诸多实施方案中的一个实施方案。 图22为图19步骤1910中调用的例程“筛选原始二进制数序列”的控制流程图，其代表了本专利技术诸多实施方案中的一个实施方案。 具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
自鉴别量子随机位发生器（１１００，１４００），该自鉴别量子随机位发生器（１１００，１４００）包括：　传输层（１１０２），该传输层（１１０２）又包括　电磁辐射源（１１０６，１４０６，１４１２），该电磁辐射源（１１０６，１４０６，１ ４１２）与分支成第一波导（１１１１）、第二波导（１１１０）、及第三波导（１１１２）的波导（１１０８，１４１４）相耦合，所述电磁辐射源被配置成产生第一极化状态的电磁辐射脉冲；　一个或多个极化旋转器（１１１４－１１１７），所述极化旋转器（ １１１４－１１１７）被定位和配置使在第二波导中传输的脉冲转换到第二极化态和使在第三波导中传输的脉冲转换到第三极化态；　系统控制装置（１１０４），该系统控制装置（１１０４）被配置成根据在第一波导中所传输脉冲的极化基态产生位序列，以及根据 在第二和第三波导中所传输脉冲的极化基态用以断层分析的方式来鉴别位序列的随机性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M菲奥伦蒂诺，R博索莱尔，S斯皮莱恩，R比克内尔，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]