[发明专利]一种超快全光真随机数产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全光真随机数产生方法，属于信息技术领域，它是一种产生超高码率真随机数序列的方法，主要应用在保密通信及大规模并行计算中，用来快速产生安全可靠的真随机数或密钥。

背景技术

在保密通信领域，快速产生安全可靠的随机数（又称为密钥），关系到国防安全、金融稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。

在保密通信中，一般利用随机数作为密钥对明文信息进行加密，只要密钥不被破解，就保证了所传输信息的安全。根据香农的“一次一密”理论，绝对安全的保密通信需满足以下条件：（1）密钥长度不短于明文长度；（2）密钥是完全随机的；（3）密钥不能重复使用。这就要求产生大量码率不低于通信速率的真随机数。

现有真随机数产生方法一般采用宽带光子源作为物理熵源，通过光电探测器将其发射的随机信号转换为电信号，经电子模数转换器量化后，最终产生高速真随机码。常用的宽带光子源包括：单光子、ASE自发辐射噪声、真空态以及混沌激光等。但是，截至目前，当前国际上真随机数产生方法能实现的最高速率仅4.5 Gbps [Opt. Express, 21(17): 20452-20462,2013]——该方法是由发明人所在课题组实现。要进一步获取更高速率的真随机数，将需选用超高速的电ADC进行量化编码，这势必面临“电子速率瓶颈”的限制。目前响应带宽最高的电ADC当属日本富士通公司的CHAIS ADC，其带宽可达15 GHz，已几乎接近电子带宽理论极限。也就意味着，利用上述传统技术构建的真随机数产生装置及其方法，技术上可实现的最快速率只能处于十Gbps量级。

 但是，现代高速通信已经发展到了密集波分复用阶段。密集波分复用系统的应用使得当前信号传输速率可达1 Tbps，迫切需要发展与之相匹配的码率处于Tbps量级的真随机数产生装置，以确保信息传输的绝对安全。当前的真随机数产生技术距此码率仍有相当距离，远不足以保证现代通信的绝对安全。

发明内容

本发明的目的提供一种超快全光真随机数产生方法，以解决上述现有技术中普遍存在的码率不足等问题，适用现代保密通信及大规模并行计算。

上述目的通过如下技术方案得以实现。

一种超快全光真随机数产生方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

(1) 利用依次相连的主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光纤和反常色散光纤产生出具有超宽光谱F、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的超短脉冲序列；

(2) 利用阵列波导光栅对步骤一获得的超短脉冲序列进行光谱切割，从而获得N路独立无关、重复频率f固定、峰值功率大幅度起伏的窄带超短脉冲序列；

(3) 利用N个光强调节设备对步骤二中产生的N路窄带超短脉冲序列进行功率上的调节，使每路序列的平均功率相等；

(4) 利用N个全光编码设备将步骤三中产生的N路窄带短脉冲序列的峰值功率起伏转换成不同脉冲状态：峰值功率大于平均功率的，有脉冲输出，编码为1；峰值功率低于平均功率的，无脉冲输出，编码为0。这样就实现了重复频率为f的N路并行全光真随机码的产生，经N个光带通滤波元件滤出。

(5) 利用N段延迟光纤对上述N路并行真随机码实施等差延时，使相邻两路真随机脉冲序列之间存在相等延迟量1/fN，最后进时分复用形成码率为N×f的超快全光真随机数序列。

进一步的附加技术特征如下。

所述F的取值范围为1300 nm~2000nm。

所述f的取值为10 GHz。

所述N的取值为100。

实现本发明上述所提供的一种超快全光真随机数产生方法，与在先真随机数产生方法相比，其优点与积极效果在于：

第一，本发明首次采用时分复用技术产生高速真随机数，降低了对熵源带宽的要求，其速率可达Tbps量级，比现有真随机数产生技术的速率高了3个数量级，满足了现代高速保密通信的安全需要。

第二，本发明的真随机数产生方法中不包含采样模块，克服了现有技术因采样过程导致的信号失真带来的附加结构问题。

第三，本发明的真随机数产生装置的信号处理过程均在光域中进行，不需要任何光电转换装置及电子模数转换设备，突破了“电子瓶颈”的限制。