[发明专利]一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法

说明书

一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法，所述装置包括激光器、非简并光学参量振荡器、光学分束系统、探测和信号处理系统。探测和信号处理系统包括两个光电探测器和后续信号处理系统；激光器输出的泵浦光注入到非简并光学参量振荡器，非简并光学参量振荡器可输出一对偏振正交的孪生光束，孪生光束经光学分束系统按其自身偏振分为两束光场，用两个光电探测器分别探测两束孪生光束的强度噪声，强度噪声信号经后续信号处理系统，从中提取出两列真随机数。本发明可工作于两种模式，通过直接探测孪生光束的强度噪声，可同时输出两列具有量子随机性的真随机数或者两列完全关联的真随机数。产生的真随机数，具有较高的速率和随机性。

技术领域

本发明属于随机信号源技术领域。具体涉及一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法。

背景技术

随机数在密码学、通信、仿真等方面有着广泛应用。随机数可分为伪随机数和真随机数。伪随机数一般通过计算机算法和有限长种子序列产生，具有一定周期性和可预测性，一旦掌握运算规律就可轻易破解。真随机数的产生源于从真实物理现象中提取随机信息，产生的随机数具有很高的不确定性和可靠性。目前产生真随机数的物理源有：混沌体系，热噪声，自由运转的振荡器，量子随机过程等。

量子随机数发生器利用物理随机源的量子特性产生随机数。相较于经典随机数，量子随机数的不确定性来源于量子事件中测量坍缩导致的随机性或是真空扰动引进的随机噪声，在保密性要求较高的领域，量子随机数对黑客攻击和信息泄露具有更高的抵抗性和安全性。

Miguel Herrero-Collantes等人于2016年在arXiv上发表了题为“QuantumRandom Number Generators”的综述论文[arXiv:/quant-ph 1604.03304v1]，其中概述了目前基于光场产生量子随机数的方法，主要包括：光子计数、衰减脉冲、激光相位噪声、拉曼散射、量子真空起伏、光学参量振荡器等。

Christian Gabriel等人于2010年在Nature Photonics上发表了题为“Agenerator for unique quantum random numbers based on vacuum states”的论文[Nat. Photon. 4, 711–715, (2010)]，该工作应用零差检测技术，通过测量真空态的正交振幅分量，获得了量子随机性很强、环境免疫性很高的量子随机数。

理论和实验研究表明，工作于阈值以上的非简并光学参量振荡器所产生的孪生光束具有很强的量子关联特性，它们的强度差噪声低于散粒噪声极限。1987年，法国的Giacobino研究组首次以稳频氩离子激光器作为光源，通过非简并参量下转换将孪生光束之间的强度差噪声功率降低至散粒噪声极限以下30%[Phys. Rev. Lett. 59, 2555-2557,(1987)]；1998年，山西大学光电研究所实验获得了低于散粒噪声基准9.2dB（关联度为88%）的孪生光束[Opt. Lett. 23, 870 (1998)]；2013年，Julien Laurat等人使用半整体腔型的三共振光学参量振荡器，产生出低于散粒噪声极限9.7dB的强度差压缩态光场（孪生光束）[Opt. Lett. 30, 1177-1179, (2005)]；2015年，Avik Dutt等人利用氮化硅微型光学参量振荡器产生低于散粒噪声极限1.7dB的强度差压缩态光场（孪生光束），实现了基于光学芯片的孪生光束的制备[Phys. Rev. Appl. 3, 044005, (2015)]。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于孪生光束产生真随机数的装置及方法。