[发明专利]一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器

说明书

本发明涉及一种基于反馈干涉原理的混沌光熵源，尤其是一种基于反馈干涉原理的全光随机数发生器，应用于保密通信和大规模计算中。一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器，包括第一3dB耦合器，第一3dB耦合器的输入端输入连续光，作为第一探测信号，第一3dB耦合器的一个输出端顺次连接有第一半导体光放大器和第一波分复用器，第一3dB耦合器的另一个输出端顺次连接有第二半导体光放大器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的一个输出端共同连接有第二3dB耦合器的两个输入端。本发明的真随机数产生装置中只需D触发器就可提取出随机码，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，且突破了“电子瓶颈”的限制。

技术领域

本发明涉及一种基于反馈干涉原理的混沌光熵源，尤其是一种基于反馈干涉原理的全光随机数发生器，应用于保密通信和大规模计算中。

背景技术

随机数在蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、统计抽样、人工神经网络等科学计算方面有着广泛的应用。尤其，在保密通信领域，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。

信息论鼻祖香农提出：绝对安全的保密通信需采用“一次一密”加密理论。对随机数产生装置提出了三个条件：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。这就要求码率不低于通信速率的真随机数的大量、实时产生。

随机数发生器可分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器通过对一些确定性算法赋予不同的种子可以便捷地生成具有一定周期的、快速的随机数。随着计算机计算能力的不断提高，以伪随机数为密钥被破解的事件层出不穷，严重威胁着信息安全。

真随机数发生器可以保证科学计算的准确性及保密通信的安全性，利用自然界中的微观量子机制或宏观随机现象作为物理熵源可产生出无法预测、非周期的完全随机的真随机数。传统的真随机数发生器所选用的物理熵源多为电阻或其他电子元件的热噪声、自发辐射噪声、核辐射衰变、振荡器的相位噪声、混沌电路等。受限于传统物理熵源的带宽瓶颈，其码率处于Mb/s量级，与现代高速信息传输速率差距巨大。

近年来，混沌光这一新型随机物理熵源的出现，使得真随机数在产生速率方面获得了突破性发展。2008年，日本内田淳夫课题组在Nature Photonics上首次利用混沌光熵源，实现了1 .7 Gb/s真随机数的在线、实时产生 [Nat. Photon., vol .2 , pp . 728-732 , 2008]。2013年和2018年，申请人所在课题组利用混沌光成功构建了码率达4 .5 Gb/s和10Gb/s的真随机码发生器[Opt. Express, 21(17 ): 20452-20462 , 2013]、[J.Lightwave Technol., 36(12): 2531-2540 , 2018]。

然而，现有基于混沌光的真随机数实时产生技术，一般采用光电探测器将其发射的混沌信号转换为电信号，在电域中利用ADC对相应电信号进行采样、量化处理，再结合一定的后处理技术实现高速真随机码的产生；或者在光域内完成对混沌信号的采样，后采用光电探测器转换为电脉冲信号，在电域中对相应的电采样信号进行量化、后处理，实现高速真随机码的产生。

随着光通信速率的增加，这种光-电-光产生随机数的方式势必受到“电子瓶颈”的制约。且目前随机数码产生的采样、量化装置复杂，还需进行后处理才能得到随机性良好的随机码。

发明内容

本发明为解决现有全光随机数都需经过光-电-光的转换，满足不了现代光通讯系统的要求，且采样、量化装置复杂，还需进行后处理才能得到随机性良好的随机码的技术问题，提供一种基于反馈干涉原理的全光真随机数发生器。