[发明专利]一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法

说明书

一种基于混沌激光产生全光高速随机数的产生方法是将产生的混沌激光利用基于半导体光放大器‑非线性偏振旋转效应（SOA‑NPR）的全光采样系统进行采样，然后利用基于非线性偏振旋转效应（NPR）的全光量化器对采样后的脉冲进行量化，在光域内获得随机数。本发明所述的装置包括激光混沌源、全光采样器及全光量化器。本发明完全在光域内进行，可突破电子瓶颈限制，实时产生全光高速随机码。产生的随机码可与光通信网络中的光信号直接兼容，满足现代高速通信安全的需要。

技术领域

本发明涉及全光物理随机数，具体为一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置及方法，可用于统计抽样、蒙特卡洛模拟、随机模型、信息通信安全等诸多领域。

背景技术

在信息安全、复杂数值模拟、密码学及博彩等领域，随机数充当着一个重要的角色。特别是随着社会信息化程度的提高和光纤通信技术的不断发展，信息通信安全问题已经上升为关系国家安危的重要课题。目前单信道的传输速率已达到40Gbps，下一代光纤通信网络单信道的传输速率将达到100Gps，因此产生高速随机数是保密通信技术发展的必要条件。

按产生随机数的机理不同，随机数发生器可分为两大类：伪随机数发生器和物理真随机数发生器。

利用计算机，通过某些算法或组合可方便地获得伪随机数(PRNG)。随着算法的改进和计算机运算能力的提高，目前已可获得2⁸⁰⁰-1码长的PRNG。经过合理设计PRNG，可以在一定程度上保证攻击者在有限的计算资源下无法破译。但是，PRNG是由种子通过一个确定的算法生成的，并不是真正意义的随机数。然而，不管采用多么精巧的设计，伪随机数序列终究无法改变其确定性的本质。一旦生成最终结果的算法或种子被获取，或是攻击者有了更强的计算资源及破解算法，那么伪随机数序列的不确定性就会大幅降低，而基于伪随机数序列的安全防御就会出现严重的漏洞。随着计算机运算能力的不断提高，用伪随机数作为密钥被破解的事件也层出不穷。例如我国王小云教授曾先后破解了全球广泛用于计算机安全系统的MD5和SHA-1两大密码算法。

为了解决伪随机序列的周期性和确定性等问题，人们利用自然界物理现象提取产生无法复制、非周期、不可预测的真随机数。已用过物理现象也多种多样，比如早期的鼠标抖动，后来采用的大气噪声，电子噪声，频率抖动，辐射衰变，单光子发射/探测等等。此外，利用量子力学基本量的完全随机性以及采集生物的无规律行为也可以用作真随机数发生器的熵源。然而早期的研究成果受限于选用的物理熵源，或是采样提取手段，使得随机数序列的生成码率很低，无法适应实际需求。至2003年，通过采用高速电子振荡器的频率抖动作为物理熵源，实现了速率达到10Mbit/s的随机数序列产生，几乎已经达到了当时真随机数发生器速率的极限。

2007年申请人课题组首次提出用光反馈半导体激光器产生的宽带混沌激光作为真随机数发生器物理源，构造快速真随机数发生器。2008年开始,基于混沌激光产生的物理真随机数的速率能够达到Gbit/s的量级，随后以色列巴依兰大学I.Reider等人、香港城市大学陈仕俊小组、日本埼玉大学A.Uchida小组、希腊雅典大学A.Argyris小组、西南大学以及申请人课题组都对基于混沌激光产生高速的物理真随机数进行了大量研究。但是以上的混沌激光信号都在电域内进行量化处理，受“电子瓶颈”的限制，速率的提升空间有限。因此有必要开发一种速率不受电子瓶颈限制的随机数产生装置及方法。

发明内容

本发明为解决目前产生随机数的速率受“电子瓶颈”的限制，提供一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置与方法。

本发明所述一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置是采用以下技术方案实现的：一种基于混沌激光产生全光高速随机数的装置，包括一个混沌激光发射装置、与混沌激光发射装置输出端相连接的全光采样器以及与全光采样器输出端相连接的利用基于非线性偏振旋转效应(NPR)构建的全光量化器；