源无关量子随机数的产生方法及装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104238996 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104238996 A (21)申请号 201410449817.7 (22)申请日 2014.09.04 G06F 7/58(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084-82 信箱 (72)发明人 马雄峰 曹竹 袁骁 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 张大威 (54) 发明名称 源无关量子随机数的产生方法及装置 (57) 摘要 本发明提出一种源无关量子随机数的产生方 法， 包括以下步骤 ： 。

2、接收端接收源发射的光子信 号， 并将光子信号中包含的多光子信号转化为等 价的单光子信号 ； 对单光子信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制， 并对 X 基矢或 Z 基矢进行投影测量 ； 根 据 Z 基矢的测量结果计算错误率 ； 根据 X 基矢的 测量结果得到部分随机二进制串 ； 获取部分随机 二进制串的最小熵， 并进行后处理以得到完全随 机的二进制串。本发明的方法无需依赖对源的假 设， 能够产生由量子力学保证的真随机数， 并且该 方法能够容忍高信道损失， 具有很高的实用价值。 本发明还提供了一种源无关量子随机数的产生装 置。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页。

3、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104238996 A CN 104238996 A 1/2 页 2 1. 一种源无关量子随机数的产生方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 接收端接收源发射的光子信号， 并将所述光子信号中包含的多光子信号转化为等价的 单光子信号 ； 对所述单光子信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制， 并对所述 X 基矢或 Z 基矢进行投影测量 ； 根据所述 Z 基矢的测量结果计算所述源的错误率 ； 根据所述 X 基矢的测量结果得到部分随机的二进制串 ； 获取所述部分随机的二进制串的最小。

4、熵， 并进行后处理以得到完全随机的二进制串。 2.根据权利要求1所述的源无关量子随机数的产生方法， 其特征在于， 所述根据所述Z 基矢的测量结果计算所述源的错误率， 具体包括 ： 判断所述 Z 基矢的测量结果是否均为 0 ； 记录测量结果， 并根据记录的测量结果计算错误率， 所述错误率为测量结果为 1 的测 量个数除以测量总个数。 3. 根据权利要求 1 所述的源无关量子随机数的产生方法， 其特征在于， 所述源为不被 信任的源。 4. 根据权利要求 1 所述的源无关量子随机数的产生方法， 其特征在于， 所述接收端包 括两个单光子探测器。 5. 根据权利要求 1 所述的源无关量子随机数的产生方法。

5、， 其特征在于， 在合法的测量 事件中， 所述 Z 基矢的测量个数为一个与测量总个数无关的常数， 以使当输出串足够长时， Z 基矢测量个数相对 X 基矢测量个数的比例趋于 0。 6. 一种源无关量子随机数的产生装置， 其特征在于， 包括 ： 用于发射光子信号的源 ； 接收端， 所述接收端用于接收所述源发射的光子信号， 并将所述光子信号中包含的多 光子信号转化为等价的单光子信号， 并对所述单光子信号进行X基矢或Z基矢调制， 并对所 述 X 基矢或 Z 基矢进行投影测量。 处理器， 所述处理器根据所述Z基矢的测量结果计算所述源的错误率， 并根据X基矢的 测量结果得到部分随机的二进制串， 并获取所述。

6、部分随机的二进制串的最小熵， 并进行或 处理以得到完全随机的二进制串。 7. 根据权利要求 6 所述的源无关量子随机数的产生装置， 其特征在于， 所述处理器用 于判断所述 Z 基矢的测量结果是否均为 0， 并记录测量结果， 并根据记录的测量结果计算错 误率， 所述错误率为测量结果为 1 的测量个数除以测量总个数。 8. 根据权利要求 6 所述的源无关量子随机数的产生装置， 其特征在于， 所述源为不被 信任的源。 9. 根据权利要求 6 所述的源无关量子随机数的产生装置， 其特征在于， 所述接收端包 括 ： 偏振调制器， 所述偏振调制器用于对所述单光子信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制 ； 偏振。

7、分光计， 所述偏振分光计用于对所述 X 基矢或 Z 基矢单光子信号进行投影 ； 两个单光子探测器， 所述两个单光子探测器用于对所述X基矢或Z基矢进行投影测量。 10. 根据权利要求 6 所述的源无关量子随机数的产生装置， 其特征在于， 在合法的测量 事件中， 所述 Z 基矢的测量个数为一个与测量总个数无关的常数， 以使当输出串足够长时， 权 利 要 求 书 CN 104238996 A 2 2/2 页 3 Z 基矢测量个数相对 X 基矢测量个数的比例趋于 0。 权 利 要 求 书 CN 104238996 A 3 1/6 页 4 源无关量子随机数的产生方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及。

8、随机数测量技术领域， 特别涉及一种源无关量子随机数的产生方法及 装置。 背景技术 0002 在现代信息社会中， 随机数在经济、 科学、 国防、 工业生产等各个领域扮演着重要 的角色。具体而言在统计分析、 工业和科学领域的仿真、 密码学、 生活中的博彩业等各方面 都有非常重要的应用。 经典的方法只能产生伪随机数， 从其原理上来看， 伪随机实际上只是 “看起来像” 随机数， 也就是以现在的科学技术水平下在有限的时间内， 只有非常小的可能 性区分出他们的不同。但是从本质上它们的熵是不同的， 因而在很多领域并不能直接使用 伪随机数， 因为无法在安全通讯等领域里保证绝对的安全性。 0003 根据物理过程。

9、的随机性， 例如使用电子元件的噪音、 核裂变宇宙噪声、 电路的热噪 声、 放射性衰变等等可以来产生随机数。虽然这样的随机数不会随着计算能力的发展而产 生风险， 但其随机性并没有从本质上有保证。 0004 根据量子力学的基本原理， 量子随机数产生器可以产生真随机数。在过去的十几 年间， 有很多的量子随机数发生器方案被提出， 比如利用单光子探测， 量子非局域性和真空 态的统计涨落都已经实验成功。 同时， 商业量子随机数发生器， 比如ID-Quantique system， 已经进入市场。但是值得指出的是， 这些量子随机数产生器都不可避免地依赖于对模型的 假设， 以及对设备装置完美的要求。 0005。

10、 在众多量子随机数产生器中， 单光子探测的方法是最简单的。它主要包括两个部 分， 源和测量装置。在单光子探测量子随机数产生器中， 源向探测器发出 Z 基矢的态， 探测 器紧接着使用 X 基矢进行测量。如前所述， 根据量子力学的基本原理， 探测器得到的结果为 真随机数。 但是如果源不包含随机性(如源发出X基矢的态)， 那么测量得到的结果只能是 一个固定的串， 不包含任何的随机性。因此， 在单光子探测随机数产生器中， 源的随机性很 关键。 0006 然而在实际应用中， 很难在实际中保证源包含足够的量子随机性， 由此产生的随 机数也没有得到保障。 目前， 主要是采用将已知源直接进行量子测量的方法， 。

11、来产生由量子 力学原理保障的真随机数， 具体有下面两种方法 ： 0007 方法一 ： 如 ID-Quantique 随机数发生器的白皮书所述， 发光二极管向半透半反的 镜子发射单光子， 并由两个单光子探测器来分别检测被透射或被反射的光子。由于一个单 光子会透射还是反射本质上是一个量子效应， 因而得到真随机数。 0008 方法二 ： 如申请人之一之前发表的科研论文中所述， 低亮度的激光中的相位涨落 通过 PLC-MZI 后转化为光强涨落， 继而由光强探测器测出光强并使用 ADC 将其转成 8 位的 二进制串。在当激光足够弱时， 量子相位涨落远多于经典涨落， 因此可以产生真随机数。 0009 上述。

12、的方法一和方法二中， 都需要对源进行假设。其中方法一中需要假设源是单 光子源， 方法二中需要假设激光的相位涨落的确是量子的， 并多于经典涨落， 也即是对源的 说 明 书 CN 104238996 A 4 2/6 页 5 假设。而这些对源的假设在实际中无法验证， 从而可能造成产生的随机数的随机性有很大 漏洞。 而且即使这些假设成立， 也很难在实际中保证源包含足够的量子随机性， 由此产生的 随机数也没有得到保障。 发明内容 0010 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。 0011 为此， 本发明的一个目的在于提出一种源无关量子随机数的产生方法， 该方法无 需依赖对源的假设，。

13、 能够产生由量子力学保证的真随机数， 并且该方法能够容忍高信道损 失， 具有很高的实用价值。 0012 本发明的另一个目的在于提供一种源无关量子随机数的产生装置。 0013 为了实现上述目的， 本发明第一方面的实施例提出了一种源无关量子随机数的产 生方法， 包括以下步骤 ： 接收端接收源发射的光子信号， 并将所述光子信号中包含的多光子 信号转化为等价的单光子信号 ； 对所述单光子信号进行X基矢或Z基矢调制， 并对所述X基 矢或Z基矢进行投影测量 ； 根据所述Z基矢的测量结果计算所述源的错误率 ； 根据所述X基 矢的测量结果得到部分随机的二进制串 ； 获取所述部分随机的二进制串的最小熵， 并进行。

14、 后处理以得到完全随机的二进制串。 0014 根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生方法， 不对源做任何假设 ( 即源无 关 )， 并采用随机改变基矢的测量仪器来取代原始固定基矢的测量仪器， 从而在获取随机数 的同时保证了源的正确性。另外， 该方法还可以容忍高的信道损失， 具有很高的实用价值。 0015 另外， 根据本发明上述实施例的源无关量子随机数的产生方法还可以具有如下附 加的技术特征 ： 0016 在一些示例中， 所述根据所述 Z 基矢的测量结果计算所述源的错误率， 进一步包 括 ： 判断所述 Z 基矢的测量结果是否为 0 ； 记录测量结果， 并根据记录的测量结果计算错误 率， 所述错。

15、误率为测量结果为 1 的测量个数除以测量总个数。 0017 在一些示例中， 所述源为不被信任的源。 0018 在一些示例中， 所述接收端包括两个单光子探测器。 0019 在一些示例中， 在合法的测量事件中， 所述 Z 基矢的测量个数为一个与测量总个 数无关的常数， 以使当输出串足够长时， Z基矢测量个数相对X基矢测量个数的比例趋于0。 0020 本发明第二方面的实施例提供了一种源无关量子随机数的产生装置， 包括 ： 用于 发射光子信号的源 ； 接收端， 用于接收所述源发射的光子信号， 并将所述光子信号中包含的 多光子信号转化为等价的单光子信号， 并对所述单光子信号进行X基矢或Z基矢调制， 并对。

16、 所述 X 基矢或 Z 基矢进行投影测量。处理器， 所述处理器根据所述 Z 基矢的测量结果计算 所述源的错误率， 并根据 X 基矢的测量结果得到部分随机的二进制串， 并获取所述部分随 机的二进制串的最小熵， 并进行或处理以得到完全随机的二进制串。 0021 根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生装置， 不对源做任何假设 ( 即源无 关 )， 并采用随机改变基矢的测量仪器来取代原始固定基矢的测量仪器， 从而在获取随机数 的同时保证了源的正确性。另外， 该系统还可以容忍高的信道损失， 具有很高的实用价值。 0022 另外， 根据本发明上述实施例的源无关量子随机数产生装置还可以具有如下附加 的技术。

17、特征 ： 说 明 书 CN 104238996 A 5 3/6 页 6 0023 在一些示例中， 所述处理器用于判断所述 Z 基矢的测量结果是否均为 0， 并记录测 量结果， 并根据记录的测量结果计算错误率， 所述错误率为测量结果为 1 的测量个数除以 测量总个数。 0024 在一些示例中， 所述源为不被信任的源。 0025 在一些示例中所述接收端包括 ： 偏振调制器， 所述偏振调制器用于对所述单光子 信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制 ； 偏振分光计， 所述偏振分光计用于对所述 X 基矢或 Z 基矢单 光子信号进行投影 ； 两个单光子探测器， 所述两个单光子探测器用于对所述X基矢或Z基矢 进。

18、行投影测量。 0026 在一些示例中， 在合法的测量事件中， 所述 Z 基矢的测量个数为一个与测量总个 数无关的常数， 以使当输出串足够长时， Z基矢测量个数相对X基矢测量个数的比例趋于0。 0027 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0028 本发明的上述和 / 或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ： 0029 图 1 是根据本发明一个实施例的源无关量子随机数的产生方法的流程图 ； 0030 图 2 是根据本发明一个实施例的源无关量子随机数的产生装置的结构框图 。

19、； 以及 0031 图 3 是根据本发明另一个实施例的接收端的结构示意图。 具体实施方式 0032 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0033 以下结合附图描述根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生方法及装置。 0034 图 1 是根据本发明一个实施例的源无关量子随机数的产生方法的流程图。如图 1 所示， 根据本发明一个实施例的源无关量子随机数的产生方法， 包括以下步骤 ： 0035 步骤 S。

20、101， 接收端接收源发射的光子信号， 并将光子信号中包含的多光子信号转 化为等价的单光子信号。在具体的示例中， 源发出的光子信号中可能包含有多光子信号和 单光子信号， 接收端例如可使用阈值探测器将潜在的多光子信号转化为等价的单光子态的 信号， 从而解决源可能发出多光子信号的问题。其中， 在本发明的一个实施例中， 所述源为 不被信任的源。接收端例如包括两个单光子探测器， 用于对单光子信号进行 X 基矢或 Z 基 矢调制。 0036 步骤S102， 对单光子信号进行X基矢或Z基矢调制， 并对X基矢或Z基矢进行投影 测量。 0037 在本发明的一个实施例中， 在合法的测量事件中， Z 基矢的测量个。

21、数为一个与测量 总个数无关的常数。具体而言， 接收端同时对单光子信号的 X 基矢和 X 基矢进行测量。而 对于接收端的两个单光子探测器都不响应或者都响应的情况， 称之为不合法测量事件， 并 利用后选择将这些不合法测量事件排除。而在剩下的合法测量事件中， 接收端保证当输出 说 明 书 CN 104238996 A 6 4/6 页 7 串足够长时， Z 基矢测量个数相对 X 基矢测量个数的比例将趋于 0。更确切地说， Z 基矢测 量的个数将被保持在一个与测量个数总数无关的常数上。 0038 步骤S103， 根据Z基矢的测量结果计算源的错误率。 具体而言， 首先判断Z基矢的 测量结果是否为 0， 如。

22、果为 0， 则判定源遵守规则， 即源正确。否则， 判定源不遵守规则， 即源 错误。在具体示例中， 理想的源假定为永远发送 Z 基矢的正本征态， 如果确实如此， 则当接 收端在进行Z基矢测量时， 测量结果必定为0(相应于正本征态)。 因此， 为了检测源是否遵 守规则， 接收端偶尔会进行 Z 基矢测量， 并记录测量结果， 最后根据测量结果计算源的错误 率， 记为 ez。换言之， 即如果进行 Z 基矢测量时的结果为 1， 则记为一个错误， 错误率即为测 量结果为 1 的测量个数除以测量总个数。 0039 步骤S104， 根据X基矢的测量结果得到部分随机的二进制串。 具体而言， 当接收端 进行 X 基。

23、矢测量时， 会得到部分随机的二进制串。进一步地， 更精确的随机性量化需要使用 最小熵， 以此来衡量随机性大小。 0040 步骤 S105， 获取部分随机的二进制串的最小熵， 并进行后处理以得到完全随机的 二进制串。 具体而言， 在得到部分随机的二进制串后， 计算得到这些部分随机的二进制串的 最小熵， 记作 1-H(ez)， 并据此进行后处理， 最终得到完全随机的二进制串。 0041 根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生方法， 不对源做任何假设 ( 即源无 关 )， 并采用随机改变基矢的测量仪器来取代原始固定基矢的测量仪器， 从而在获取随机数 的同时保证了源的正确性。另外， 该方法还可以容忍。

24、高的信道损失， 具有很高的实用价值。 0042 本发明的进一步实施例还提供了一种源无关量子随机数的产生装置。 0043 图 2 所示为根据本发明一个实施例的源无关量子随机数的产生装置的结构框图。 如图 2 所示， 该装置 200 包括 ： 源 210、 接收端 220 和处理器 230。 0044 具体而言， 源 210 用于发射光子信号。在本发明的一个实施例中， 所述源 210 为不 被信任的源。 0045 接收端 220 用于接收源 210 发射的光子信号， 并将光子信号中包含的多光子信号 转化为等价的单光子信号， 并对单光子信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制， 并对 X 基矢或 Z 基矢。

25、 进行投影测量。 0046 在具体的示例中， 源 210 发出的光子信号中可能包含有多光子信号和单光子信 号， 接收端 220 例如可使用阈值探测器将潜在的多光子信号转化为等价的单光子态的信 号， 从而解决源 210 可能发出的多光子信号的问题。 0047 如图 3 所示， 在一些示例中， 接收端 220 进一步包括偏振调制器、 偏振分光计和两 个单光子探测器。其中， 偏振调制器用于对单光子信号进行 X 基矢或 Z 基矢调制。偏振分 光计用于对 X 基矢或 Z 基矢单光子信号进行投影。两个光子探测器用于对 X 基矢或 Z 基矢 进行投影测量。 0048 在本发明的一个实施例中， 在合法的测量事。

26、件中， Z 基矢的测量个数为一个与测量 总个数无关的常数。具体而言， 接收端 220 同时对单光子信号的 Z 基矢和 X 基矢进行测量。 而对于接收端 220 的两个单光子探测器都不响应或者都响应的情况， 称之为不合法测量事 件， 并利用后选择将这些不合法测量事件排除。而在剩下的合法测量事件中， 接收端 220 保 证当输出串足够长时， Z 基矢测量个数相对 X 基矢测量个数的比例将趋于 0。更确切地说， Z 基矢测量的个数将被保持在一个与测量个数总数无关的常数上。 说 明 书 CN 104238996 A 7 5/6 页 8 0049 处理器 230 根据 Z 基矢的测量结果计算源 210 。

27、的错误率， 并根据 X 基矢的测量结 果得到部分随机的二进制串， 并获取部分随机的二进制串的最小熵， 并进行或处理以得到 完全随机的二进制串。 0050 具体而言， 处理器 230 首先判断 Z 基矢的测量结果是否为 0， 并在 Z 基矢的测量结 果为 0 时， 判定源 210 遵守规则， 即源正确 ； 以及在 Z 基矢的测量结果不为 0 时， 判定源 210 不遵守规则， 即源 210 错误。在具体示例中， 理想的源假定为永远发送 Z 基矢的正本征态， 如果确实如此， 则在进行 Z 基矢测量时， 测量结果必定为 0( 相应于正本征态 )。因此， 为了 检测源 210 是否遵守规则， 偶尔会进。

28、行 Z 基矢测量， 并记录测量结果， 处理器 230 根据测量 结果计算源 210 的错误率， 记为 ez。换言之， 即如果进行 Z 基矢测量时的结果为 1， 则记为 一个错误， 错误率也即测量结果为 1 的测量个数处于测量总个数。 0051 另外， 当进行 X 基矢测量时， 会得到部分随机的二进制串。进一步地， 更精确的随 机性量化需要使用最小熵， 以此来衡量随机性大小。 在得到部分随机的二进制串后， 处理器 230 计算得到这些部分随机的二进制串的最小熵， 记作 1-H(ez)， 并据此进行后处理， 最终得 到完全随机的二进制串。 0052 根据本发明实施例的源无关量子随机数的产生装置， 。

29、不对源做任何假设 ( 即源无 关 )， 并采用随机改变基矢的测量仪器来取代原始固定基矢的测量仪器， 从而在获取随机数 的同时保证了源的正确性。另外， 该系统还可以容忍高的信道损失， 具有很高的实用价值。 0053 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” “内” 、“外” 、“顺时 针” 、“逆时针” 、“轴向” 、“径向” 、“周向” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或 位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简。

30、化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0054 此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或 者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个” 的含义是至少两个， 例如两个， 三个等， 除非另有明确具体的限定。 0055 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固定” 等 术语应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是。

31、可拆卸连接， 或成一体 ； 可以是机械连 接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系， 除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员 而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 0056 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 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触， 或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。 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， 或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在。

32、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， 或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 0057 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 说 明 书 CN 104238996 A 8 6/6 页 9 必须针对的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 此外， 在不相互矛盾的情况下， 本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。 0058 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说 明 书 CN 104238996 A 9 1/2 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 104238996 A 10 2/2 页 11 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104238996 A 11 。