源無關量子隨機數的產生方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提出一種源無關量子隨機數的產生方法，包括以下步驟：接收端接收源發射的光子信號，并將光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號；對單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對X基矢或Z基矢進行投影測量；根據Z基矢的測量結果計算錯誤率；根據X基矢的測量結果得到部分隨機二進制串；獲取部分隨機二進制串的最小熵，并進行后處理以得到完全隨機的二進制串。本發明的方法無需依賴對源的假設，能夠產生由量子力學保證的真隨機數，并且該方法能夠容忍高信道損失，具有很高的實用價值。本發明還提供了一種源無關量子隨機數的產生裝置。
【專利說明】源無關量子隨機數的產生方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及隨機數測量【技術領域】，特別涉及一種源無關量子隨機數的產生方法及
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]在現代信息社會中，隨機數在經濟、科學、國防、工業生產等各個領域扮演著重要的角色。具體而言在統計分析、工業和科學領域的仿真、密碼學、生活中的博彩業等各方面都有非常重要的應用。經典的方法只能產生偽隨機數，從其原理上來看，偽隨機實際上只是“看起來像”隨機數，也就是以現在的科學技術水平下在有限的時間內，只有非常小的可能性區分出他們的不同。但是從本質上它們的熵是不同的，因而在很多領域并不能直接使用偽隨機數，因為無法在安全通訊等領域里保證絕對的安全性。
[0003]根據物理過程的隨機性，例如使用電子元件的噪音、核裂變宇宙噪聲、電路的熱噪聲、放射性衰變等等可以來產生隨機數。雖然這樣的隨機數不會隨著計算能力的發展而產生風險，但其隨機性并沒有從本質上有保證。
[0004]根據量子力學的基本原理，量子隨機數產生器可以產生真隨機數。在過去的十幾年間，有很多的量子隨機數發生器方案被提出，比如利用單光子探測，量子非局域性和真空態的統計漲落都已經實驗成功。同時，商業量子隨機數發生器，比如ID-Quantique system,已經進入市場。但是值得指出的是，這些量子隨機數產生器都不可避免地依賴于對模型的假設，以及對設備裝置完美的要求。
[0005]在眾多量子隨機數產生器中，單光子探測的方法是最簡單的。它主要包括兩個部分，源和測量裝置。在單光子探測量子隨機數產生器中，源向探測器發出Z基矢的態，探測器緊接著使用X基矢進行測量。如前所述，根據量子力學的基本原理，探測器得到的結果為真隨機數。但是如果源不包含隨機性(如源發出X基矢的態)，那么測量得到的結果只能是一個固定的串，不包含任何的隨機性。因此，在單光子探測隨機數產生器中，源的隨機性很關鍵。
[0006]然而在實際應用中，很難在實際中保證源包含足夠的量子隨機性，由此產生的隨機數也沒有得到保障。目前，主要是采用將已知源直接進行量子測量的方法，來產生由量子力學原理保障的真隨機數，具體有下面兩種方法:
[0007]方法一:如ID-Quantique隨機數發生器的白皮書所述，發光二極管向半透半反的鏡子發射單光子，并由兩個單光子探測器來分別檢測被透射或被反射的光子。由于一個單光子會透射還是反射本質上是一個量子效應，因而得到真隨機數。
[0008]方法二:如 申請人:之一之前發表的科研論文中所述，低亮度的激光中的相位漲落通過PLC-MZI后轉化為光強漲落，繼而由光強探測器測出光強并使用ADC將其轉成8位的二進制串。在當激光足夠弱時，量子相位漲落遠多于經典漲落，因此可以產生真隨機數。
[0009]上述的方法一和方法二中，都需要對源進行假設。其中方法一中需要假設源是單光子源，方法二中需要假設激光的相位漲落的確是量子的，并多于經典漲落，也即是對源的假設。而這些對源的假設在實際中無法驗證，從而可能造成產生的隨機數的隨機性有很大漏洞。而且即使這些假設成立，也很難在實際中保證源包含足夠的量子隨機性，由此產生的隨機數也沒有得到保障。
【發明內容】
[0010]本發明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。
[0011]為此，本發明的一個目的在于提出一種源無關量子隨機數的產生方法，該方法無需依賴對源的假設，能夠產生由量子力學保證的真隨機數，并且該方法能夠容忍高信道損失，具有很高的實用價值。
[0012]本發明的另一個目的在于提供一種源無關量子隨機數的產生裝置。
[0013]為了實現上述目的，本發明第一方面的實施例提出了一種源無關量子隨機數的產生方法，包括以下步驟:接收端接收源發射的光子信號，并將所述光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號；對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對所述X基矢或Z基矢進行投影測量；根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率；根據所述X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串；獲取所述部分隨機的二進制串的最小熵，并進行后處理以得到完全隨機的二進制串。
[0014]根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生方法，不對源做任何假設(即源無關)，并采用隨機改變基矢的測量儀器來取代原始固定基矢的測量儀器，從而在獲取隨機數的同時保證了源的正確性。另外，該方法還可以容忍高的信道損失，具有很高的實用價值。
[0015]另外，根據本發明上述實施例的源無關量子隨機數的產生方法還可以具有如下附加的技術特征:
[0016]在一些示例中，所述根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率，進一步包括:判斷所述Z基矢的測量結果是否為O ;記錄測量結果，并根據記錄的測量結果計算錯誤率，所述錯誤率為測量結果為I的測量個數除以測量總個數。
[0017]在一些示例中，所述源為不被信任的源。
[0018]在一些示例中，所述接收端包括兩個單光子探測器。
[0019]在一些示例中，在合法的測量事件中，所述Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數，以使當輸出串足夠長時，Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例趨于O。
[0020]本發明第二方面的實施例提供了一種源無關量子隨機數的產生裝置，包括:用于發射光子信號的源；接收端，用于接收所述源發射的光子信號，并將所述光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號，并對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對所述X基矢或Z基矢進行投影測量。處理器，所述處理器根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率，并根據X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串，并獲取所述部分隨機的二進制串的最小熵，并進行或處理以得到完全隨機的二進制串。
[0021]根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生裝置，不對源做任何假設(即源無關)，并采用隨機改變基矢的測量儀器來取代原始固定基矢的測量儀器，從而在獲取隨機數的同時保證了源的正確性。另外，該系統還可以容忍高的信道損失，具有很高的實用價值。
[0022]另外，根據本發明上述實施例的源無關量子隨機數產生裝置還可以具有如下附加的技術特征:
[0023]在一些示例中，所述處理器用于判斷所述Z基矢的測量結果是否均為0，并記錄測量結果，并根據記錄的測量結果計算錯誤率，所述錯誤率為測量結果為I的測量個數除以測量總個數。
[0024]在一些示例中，所述源為不被信任的源。
[0025]在一些示例中所述接收端包括:偏振調制器，所述偏振調制器用于對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制；偏振分光計，所述偏振分光計用于對所述X基矢或Z基矢單光子信號進行投影；兩個單光子探測器，所述兩個單光子探測器用于對所述X基矢或Z基矢進行投影測量。
[0026]在一些示例中，在合法的測量事件中，所述Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數，以使當輸出串足夠長時，Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例趨于O。
[0027]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0029]圖1是根據本發明一個實施例的源無關量子隨機數的產生方法的流程圖；
[0030]圖2是根據本發明一個實施例的源無關量子隨機數的產生裝置的結構框圖；以及
[0031]圖3是根據本發明另一個實施例的接收端的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0033]以下結合附圖描述根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生方法及裝置。
[0034]圖1是根據本發明一個實施例的源無關量子隨機數的產生方法的流程圖。如圖1所示，根據本發明一個實施例的源無關量子隨機數的產生方法，包括以下步驟:
[0035]步驟S101，接收端接收源發射的光子信號，并將光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號。在具體的示例中，源發出的光子信號中可能包含有多光子信號和單光子信號，接收端例如可使用閾值探測器將潛在的多光子信號轉化為等價的單光子態的信號，從而解決源可能發出多光子信號的問題。其中，在本發明的一個實施例中，所述源為不被信任的源。接收端例如包括兩個單光子探測器，用于對單光子信號進行X基矢或Z基矢調制。
[0036]步驟S102，對單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對X基矢或Z基矢進行投影測量。
[0037]在本發明的一個實施例中，在合法的測量事件中，Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數。具體而言，接收端同時對單光子信號的X基矢和X基矢進行測量。而對于接收端的兩個單光子探測器都不響應或者都響應的情況，稱之為不合法測量事件，并利用后選擇將這些不合法測量事件排除。而在剩下的合法測量事件中，接收端保證當輸出串足夠長時，Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例將趨于O。更確切地說，Z基矢測量的個數將被保持在一個與測量個數總數無關的常數上。
[0038]步驟S103，根據Z基矢的測量結果計算源的錯誤率。具體而言，首先判斷Z基矢的測量結果是否為0，如果為0，則判定源遵守規則，即源正確。否則，判定源不遵守規則，即源錯誤。在具體示例中，理想的源假定為永遠發送Z基矢的正本征態，如果確實如此，則當接收端在進行Z基矢測量時，測量結果必定為O (相應于正本征態)。因此，為了檢測源是否遵守規則，接收端偶爾會進行Z基矢測量，并記錄測量結果，最后根據測量結果計算源的錯誤率，記為ez。換言之，即如果進行Z基矢測量時的結果為1，則記為一個錯誤，錯誤率即為測量結果為I的測量個數除以測量總個數。
[0039]步驟S104，根據X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串。具體而言，當接收端進行X基矢測量時，會得到部分隨機的二進制串。進一步地，更精確的隨機性量化需要使用最小熵，以此來衡量隨機性大小。
[0040]步驟S105，獲取部分隨機的二進制串的最小熵，并進行后處理以得到完全隨機的二進制串。具體而言，在得到部分隨機的二進制串后，計算得到這些部分隨機的二進制串的最小熵，記作1-H(ez)，并據此進行后處理，最終得到完全隨機的二進制串。
[0041]根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生方法，不對源做任何假設(即源無關)，并采用隨機改變基矢的測量儀器來取代原始固定基矢的測量儀器，從而在獲取隨機數的同時保證了源的正確性。另外，該方法還可以容忍高的信道損失，具有很高的實用價值。
[0042]本發明的進一步實施例還提供了一種源無關量子隨機數的產生裝置。
[0043]圖2所示為根據本發明一個實施例的源無關量子隨機數的產生裝置的結構框圖。如圖2所示，該裝置200包括:源210、接收端220和處理器230。
[0044]具體而言，源210用于發射光子信號。在本發明的一個實施例中，所述源210為不被信任的源。
[0045]接收端220用于接收源210發射的光子信號，并將光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號，并對單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對X基矢或Z基矢進行投影測量。
[0046]在具體的示例中，源210發出的光子信號中可能包含有多光子信號和單光子信號，接收端220例如可使用閾值探測器將潛在的多光子信號轉化為等價的單光子態的信號，從而解決源210可能發出的多光子信號的問題。
[0047]如圖3所示，在一些示例中，接收端220進一步包括偏振調制器、偏振分光計和兩個單光子探測器。其中，偏振調制器用于對單光子信號進行X基矢或Z基矢調制。偏振分光計用于對X基矢或Z基矢單光子信號進行投影。兩個光子探測器用于對X基矢或Z基矢進行投影測量。
[0048]在本發明的一個實施例中，在合法的測量事件中，Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數。具體而言，接收端220同時對單光子信號的Z基矢和X基矢進行測量。而對于接收端220的兩個單光子探測器都不響應或者都響應的情況，稱之為不合法測量事件，并利用后選擇將這些不合法測量事件排除。而在剩下的合法測量事件中，接收端220保證當輸出串足夠長時，Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例將趨于O。更確切地說，Z基矢測量的個數將被保持在一個與測量個數總數無關的常數上。
[0049]處理器230根據Z基矢的測量結果計算源210的錯誤率，并根據X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串，并獲取部分隨機的二進制串的最小熵，并進行或處理以得到完全隨機的二進制串。
[0050]具體而言，處理器230首先判斷Z基矢的測量結果是否為0，并在Z基矢的測量結果為O時，判定源210遵守規則，即源正確；以及在Z基矢的測量結果不為O時，判定源210不遵守規則，即源210錯誤。在具體示例中，理想的源假定為永遠發送Z基矢的正本征態，如果確實如此，則在進行Z基矢測量時，測量結果必定為O (相應于正本征態)。因此，為了檢測源210是否遵守規則，偶爾會進行Z基矢測量，并記錄測量結果，處理器230根據測量結果計算源210的錯誤率，記為ez。換言之，即如果進行Z基矢測量時的結果為1，則記為一個錯誤，錯誤率也即測量結果為I的測量個數處于測量總個數。
[0051]另外，當進行X基矢測量時，會得到部分隨機的二進制串。進一步地，更精確的隨機性量化需要使用最小熵，以此來衡量隨機性大小。在得到部分隨機的二進制串后，處理器230計算得到這些部分隨機的二進制串的最小熵，記作1-H(ez)，并據此進行后處理，最終得到完全隨機的二進制串。
[0052]根據本發明實施例的源無關量子隨機數的產生裝置，不對源做任何假設(即源無關)，并采用隨機改變基矢的測量儀器來取代原始固定基矢的測量儀器，從而在獲取隨機數的同時保證了源的正確性。另外，該系統還可以容忍高的信道損失，具有很高的實用價值。
[0053]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0054]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
[0055]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0056]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0057]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
[0058]盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種源無關量子隨機數的產生方法，其特征在于，包括以下步驟: 接收端接收源發射的光子信號，并將所述光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號； 對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對所述X基矢或Z基矢進行投影測量； 根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率； 根據所述X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串； 獲取所述部分隨機的二進制串的最小熵，并進行后處理以得到完全隨機的二進制串。
2.根據權利要求1所述的源無關量子隨機數的產生方法，其特征在于，所述根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率，具體包括: 判斷所述Z基矢的測量結果是否均為O ; 記錄測量結果，并根據記錄的測量結果計算錯誤率，所述錯誤率為測量結果為I的測量個數除以測量總個數。
3.根據權利要求1所述的源無關量子隨機數的產生方法，其特征在于，所述源為不被信任的源。
4.根據權利要求1所述的源無關量子隨機數的產生方法，其特征在于，所述接收端包括兩個單光子探測器。
5.根據權利要求1所述的源無關量子隨機數的產生方法，其特征在于，在合法的測量事件中，所述Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數，以使當輸出串足夠長時，Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例趨于O。
6.一種源無關量子隨機數的產生裝置，其特征在于，包括: 用于發射光子信號的源； 接收端，所述接收端用于接收所述源發射的光子信號，并將所述光子信號中包含的多光子信號轉化為等價的單光子信號，并對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制，并對所述X基矢或Z基矢進行投影測量。 處理器，所述處理器根據所述Z基矢的測量結果計算所述源的錯誤率，并根據X基矢的測量結果得到部分隨機的二進制串，并獲取所述部分隨機的二進制串的最小熵，并進行或處理以得到完全隨機的二進制串。
7.根據權利要求6所述的源無關量子隨機數的產生裝置，其特征在于，所述處理器用于判斷所述Z基矢的測量結果是否均為O，并記錄測量結果，并根據記錄的測量結果計算錯誤率，所述錯誤率為測量結果為I的測量個數除以測量總個數。
8.根據權利要求6所述的源無關量子隨機數的產生裝置，其特征在于，所述源為不被信任的源。
9.根據權利要求6所述的源無關量子隨機數的產生裝置，其特征在于，所述接收端包括: 偏振調制器，所述偏振調制器用于對所述單光子信號進行X基矢或Z基矢調制； 偏振分光計，所述偏振分光計用于對所述X基矢或Z基矢單光子信號進行投影； 兩個單光子探測器，所述兩個單光子探測器用于對所述X基矢或Z基矢進行投影測量。
10.根據權利要求6所述的源無關量子隨機數的產生裝置，其特征在于，在合法的測量事件中，所述Z基矢的測量個數為一個與測量總個數無關的常數，以使當輸出串足夠長時， Z基矢測量個數相對X基矢測量個數的比例趨于O。
【文檔編號】G06F7/58GK104238996SQ201410449817
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】馬雄峰, 曹竹, 袁驍 申請人:清華大學