[发明专利]基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法

权利要求书

1.一种基于混沌放大量子噪声实时高速生成量子随机码的方法，其特征在于：基于混沌放大量子噪声提高量子熵源测量中的真随机熵含量，并行实现多路混沌量子熵源的提取及原始随机数的广义哈希后处理，实时高速生成量子随机码，包括以下步骤：

步骤1. 基于外腔反馈激光器生成混沌光场：DFB激光器（1）发出的激光依次经过偏振控制器（2）、环形器（3）、50/50光纤耦合器（4）、可调衰减器（5）、光隔离器（6）、光纤滤波器（7）形成混沌激光，混沌激光经过第一光纤准直器（8）转变为空间光场平行光，再经过第一半波片（9）入射到第一光学偏振分束器（12）；50/50光纤耦合器（4）将激光分成两束：一束激光经过可调衰减器（5）反馈到激光器腔内，调节衰减器（5）的强度形成宽带的混沌激光，另一束激光经过光隔离器（6）确保形成的混沌激光单向传输；通过控制驱动电流强度、反馈延迟时间及反馈强度，实现混沌系统输出；

步骤2. 建立平衡零拍探测系统，提取混沌激光高频量子模的正交分量起伏噪声作为生成量子随机数的熵源：半导体激光器（10）发出单模连续激光在通过光学器件后，在第二光学偏振分束器（14）后与DFB激光器（1）发出的激光发生相干耦合作为平衡零拍探测的本底光；同时提取混沌激光多个高频边带量子态的分量起伏作为量子随机数产生的子熵源：平衡光电探测器中两个光电探测器转换的两路光电流信号经减法器（19）输出后，又经过功分器（20）分为多路信号输出，射频信号发生器（21）产生的射频信号与功分器产生的光电流信号在混频器（22）上发生混频，混频器（22）输出的信号经低通滤波器（23）滤波，滤波后产生的光电流信号由模数转换器（24）转化为数字信号，获得源于各路子熵源的原始随机数；单模连续激光经过第二半波片（11）后进入第一光学偏振分束器（12）的透射光，作为平衡零拍探测的本底光，再经过第三半波片（13）改变偏振方向后入射至第二光学偏振分束器（14）中，透射出平行于光路平面的P光和发射出垂直于光路平面的S光，P光和S光经干涉选模后分别耦合进第二光纤准直器（15）和第三光纤准直器（17），然后进入两个光电探测器，将光信号转化为光电流信号并增益放大到宏观水平，经减法器（19）相减，平衡光电探测器的光电流信号的差信号与混沌光场的高频量子模噪声信号成比例放大，实现混沌光场确定频率及偏振成分的提取；

步骤3. 基于FPGA的并行运算优势，在单个FPGA内构建源于各个子熵源的原始随机数的广义哈希提取器，并行提取量子随机数：基于现场可编程门阵列（25）的并行处理特性，将一个大矩阵运算拆分成多个规模合适的小矩阵运算，并在外层使用缓冲器驱动每个模块的时钟信号，在协调逻辑资源和时钟信号的基础上设计出双层并行流水线算法，双层并行流水线算法实现对多个不同量子边带模式的多组原始随机比特的Toeplitz哈希后处理，在外层，多个子熵源的Toeplitz提取器是独立构建的，并且同时运行；在内层，对于每个量子边带模式，Toeplitz实时后处理都通过流水线算法实现，双层流水线算法包括三级模块：第一级是Toeplitz子矩阵生成模块，用于在每个时钟周期构建一个Toeplitz子矩阵，并使用移位反馈寄存器在每个时钟周期对Toeplitz子矩阵更新；第二级是Toeplitz子矩阵运算模块，实现单个子矩阵的计算；第三级是向量寄存异或模块，获得单个子矩阵处理的结果，将结果存储在寄存器中；模数转换器（24）采集的时钟和现场可编程门阵列（25）中实时并行处理的时钟由内置时钟统一控制；将多通道的输出随机数按位交替混合，并实时通过PCI-E接口（26）传输到计算机，得到基于混沌放大量子噪声实时高速生成的量子随机码。