一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及隨機(jī)數(shù)生成方法
【專利摘要】一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括APD模塊、雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和編碼器模塊，通過對所述APD模塊產(chǎn)生的電子學(xué)脈沖進(jìn)行編碼，生成隨機(jī)序列。以及一種無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法以及一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片。本發(fā)明生成的隨機(jī)數(shù)序列無需通過復(fù)雜的后處理過程即可通過隨機(jī)統(tǒng)計(jì)檢測。本發(fā)明的裝置和方法具有很高的集成度，可以采用集成電路工藝封裝成為芯片級(jí)器件。本發(fā)明的裝置和方法無需光源即可工作，也可以通過光纖或自由空間耦合外部光源產(chǎn)生的光量子調(diào)節(jié)隨機(jī)數(shù)的生成效率。因此，本發(fā)明的裝置和方法對于環(huán)境具有良好的兼容性，無需低溫、嚴(yán)密遮光等特殊工作條件即可正常工作。
【專利說明】一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及隨機(jī)數(shù)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隨機(jī)數(shù)生成的方法和裝置，更具體地，涉及一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 及隨機(jī)數(shù)生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機(jī)數(shù)是數(shù)據(jù)處理過程中廣泛使用的基礎(chǔ)資源，性能良好的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在信息 安全、電子商務(wù)、通信、數(shù)值模擬和計(jì)算、博彩業(yè)、游戲設(shè)計(jì)等眾多的領(lǐng)域具有廣泛的用途。
[0003] 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以分為兩類：偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生 器一般由算法產(chǎn)生，其生成的序列取決于算法和對算法賦予的初值，本質(zhì)上并非真正的隨 機(jī)序列。因此無法用于信息安全等具有較高要求的應(yīng)用中。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器一般使用具有 隨機(jī)特性的物理過程作為信號(hào)源，例如：放射性衰變、電子噪聲等。理想的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 需要具備：不可預(yù)測、不可重復(fù)的特性，如果考慮到實(shí)際應(yīng)用中的要求，還需要滿足無偏、游 程、相關(guān)等特性的要求。
[0004] 量子物理過程是實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的有效資源之一。已有基于單個(gè)光子經(jīng)過 50 :50光學(xué)分束器得到的空間路徑、單光子到達(dá)時(shí)間等物理過程的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。由于 物理器件自身與模型的要求可能存在一定的差異，因此在隨機(jī)數(shù)特性上很難達(dá)到理想的要 求。例如：ID Quantiqe公司Quantis光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)品采用了光學(xué)分束器的方法 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。但是由于光學(xué)分束器難以做到精準(zhǔn)的50 :50,且分光比這一參數(shù)可能會(huì)受到 波長等其他物理參數(shù)的影響，從而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)〇、1不平衡，并且其他統(tǒng)計(jì)檢測項(xiàng) 的性能也將受到影響。因此，多數(shù)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器需要后處理過程，以使生成的隨機(jī)序列獲得 理想的統(tǒng)計(jì)特性。對于高要求的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來說，應(yīng)力求簡化甚至避免后處理過程，這主 要基于兩個(gè)方面的考慮。第一、后處理過程一般由軟件或硬件算法實(shí)現(xiàn)，在其中可能會(huì)存在 后門等不可控的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)；第二、后處理過程會(huì)在效率、成本、功耗等方面帶來一定的開銷， 從而影響系統(tǒng)的性能或帶來潛在的安全性等問題。此外，現(xiàn)有的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案基 本上都需要有激光光源或單光子光源，這將會(huì)造成集成度下降、成本上升等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明的目的是基于光電雪崩二極管（APD)中的電子 復(fù)合與隧穿的量子過程，通過對AH)的計(jì)數(shù)進(jìn)行編碼處理產(chǎn)生隨機(jī)序列來提供一種無偏真 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及隨機(jī)數(shù)生成方法，以生成自平衡、具有良好的統(tǒng)計(jì)特性的多進(jìn)制或二進(jìn)制 隨機(jī)數(shù)序列。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā) 生器，包括光電雪崩二極管和處理器，其中所述處理器通過對所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的 電子學(xué)脈沖進(jìn)行編碼，生成隨機(jī)序列。
[0007] 作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括：
[0008] 光電雪崩二極管模塊，用來產(chǎn)生雪崩電信號(hào)；
[0009] 雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊，用來對所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的所述雪崩電信號(hào) 進(jìn)行放大處理，轉(zhuǎn)換成適合被后續(xù)模塊處理的信號(hào)；
[0010] 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，用來接收所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊處理的雪崩電信 號(hào)，并按一定間隔將產(chǎn)生所述雪崩電信號(hào)的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，記錄落入不同的時(shí)間片 之內(nèi)的雪崩電信號(hào)并進(jìn)行編號(hào)；以及
[0011] 編碼器模塊，用來接收所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊記錄的雪崩電信號(hào)的時(shí)間片編號(hào)， 將連續(xù)的若干個(gè)時(shí)間片分成一組，對輸入的雪崩電信號(hào)編號(hào)進(jìn)行編碼，得到多進(jìn)制或二進(jìn) 制的隨機(jī)序列。
[0012] 其中，所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊對所述光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生的雪崩信 號(hào)以電流形式直接處理，或通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。
[0013] 其中，通過調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊的偏置電壓來實(shí)現(xiàn)對所述雪崩信號(hào)發(fā)生 幾率的調(diào)節(jié)。
[0014] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括光源模塊和可調(diào)衰減模塊，所述光源模塊 發(fā)出光脈沖，被所述可調(diào)衰減模塊衰減到單光子量級(jí)后，輸入到所述光電雪崩二極管模塊。
[0015] 其中，通過調(diào)節(jié)所述可調(diào)衰減模塊的衰減值來調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生 雪崩信號(hào)的幾率。
[0016] 其中，所述光電雪崩二極管模塊通過自由空間或光耦合器件與所述光源模塊實(shí)現(xiàn) 耦合。
[0017] 其中，所述光耦合器件為光纖分束器或者透鏡/微透鏡陣列。
[0018] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括隨機(jī)序列采集存儲(chǔ)模塊，用來采集、存儲(chǔ)所 述編碼器模塊生成的隨機(jī)比特序列。
[0019] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括多個(gè)光電雪崩二極管模塊，所述多個(gè)光電雪 崩二極管模塊并行產(chǎn)生隨機(jī)序列。
[0020] 其中，所述編碼器模塊將所述多個(gè)光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)按順序排 列或穿插排列方式進(jìn)行多路復(fù)合編碼。
[0021] 其中，所述光電雪崩二極管模塊中使用Si或InGaAs材料的雪崩二極管。
[0022] 其中，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和編碼器模塊均在PC機(jī)、FPGA或DPS上運(yùn)行。
[0023] 作為本發(fā)明的再一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，包括下 列步驟：
[0024] 光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生雪崩電信號(hào)；
[0025] 雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊對所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的所述雪崩電信號(hào)進(jìn)行 放大處理，轉(zhuǎn)換成適合被后續(xù)模塊處理的信號(hào)；
[0026] 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊接收所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊處理的雪崩電信號(hào)，并按 一定間隔將產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，記錄落入不同的時(shí)間片之內(nèi)的雪崩電 信號(hào)并進(jìn)行編號(hào)；以及
[0027] 編碼器模塊接收所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊記錄的雪崩電信號(hào)的時(shí)間片編號(hào)，將連續(xù) 的若干個(gè)時(shí)間片分成一組，對輸入的雪崩電信號(hào)編號(hào)進(jìn)行編碼，得到多進(jìn)制或二進(jìn)制的隨 機(jī)序列。
[0028] 其中，所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊對所述光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生的雪崩信 號(hào)以電流形式直接處理，或通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。
[0029] 其中，所述光電雪崩二極管模塊通過調(diào)節(jié)偏置電壓來實(shí)現(xiàn)對所述雪崩電信號(hào)發(fā)生 幾率的調(diào)節(jié)。
[0030] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括光源模塊和可調(diào)衰減模塊，所述光源模塊 發(fā)出光脈沖，被所述可調(diào)衰減模塊衰減到單光子量級(jí)后，輸入到所述光電雪崩二極管模塊。
[0031] 其中，通過調(diào)節(jié)所述可調(diào)衰減模塊的衰減值，來調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊產(chǎn) 生雪崩信號(hào)的幾率。
[0032] 其中，所述光電雪崩二極管模塊通過自由空間或者光耦合器件與所述光源模塊實(shí) 現(xiàn)耦合。
[0033] 其中，所述光耦合器件為光纖分束器或者透鏡/微透鏡陣列。
[0034] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括隨機(jī)序列采集存儲(chǔ)模塊，用來采集、存儲(chǔ)所 述編碼器模塊生成的隨機(jī)比特序列。
[0035] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括多個(gè)光電雪崩二極管模塊，所述多個(gè)光電雪 崩二極管模塊并行產(chǎn)生隨機(jī)序列。
[0036] 其中，所述編碼器模塊將所述多個(gè)光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)按順序排 列或穿插排列方式進(jìn)行多路復(fù)合編碼。
[0037] 其中，所述光電雪崩二極管模塊中使用Si或InGaAs材料的雪崩二極管。
[0038] 其中，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和編碼器模塊均在PC機(jī)、FPGA或DPS上運(yùn)行。
[0039] 作為本發(fā)明的還一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，包括：
[0040] 若干個(gè)光電雪崩二極管模塊陣列，分別有輸出引線與編碼器電路相連，用來分別 產(chǎn)生雪崩電信號(hào)；以及
[0041] 編碼器電路，用來實(shí)現(xiàn)對多路雪崩電信號(hào)的捕獲、轉(zhuǎn)換和編碼，輸出多進(jìn)制或二進(jìn) 制的隨機(jī)序列。
[0042] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片還包括光學(xué)耦合頭和分光器件，用來為外部 光源提供到所述若干個(gè)光電雪崩二極管模塊陣列的光路。
[0043] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片還包括若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊，用來為所 述若干個(gè)光電雪崩二極管模塊陣列產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0044] 其中，所述若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊為每個(gè)光電雪崩二極管模塊單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)信 號(hào)。
[0045] 其中，所述若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自于所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 芯片內(nèi)部的時(shí)鐘源或外部的觸發(fā)信號(hào)。
[0046] 其中，所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片還包括特征提取模塊和偏壓控制模塊，其中 所述特征提取模塊通過對產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到產(chǎn)生的雪崩概率等信息，并傳輸 給所述偏壓控制模塊，所述偏壓控制模塊通過調(diào)節(jié)提供給每個(gè)光電雪崩二極管模塊的偏 壓，調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊對光子信號(hào)的探測效率，從而調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管 模塊產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的幾率。
[0047] 從本發(fā)明的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的方法生成的隨機(jī)數(shù)序列無需通過復(fù)雜的 后處理過程即可通過隨機(jī)統(tǒng)計(jì)檢測，由于無需光源和低溫制冷，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案可以采 用集成電路工藝封裝成為芯片級(jí)器件。通過光纖或自由空間耦合外部光源產(chǎn)生的光量子可 以調(diào)節(jié)隨機(jī)數(shù)的生成效率。單個(gè)APD的典型面積一般從0. 008mm2?0. 04mm2不等，以常規(guī) 芯片內(nèi)核尺寸為l〇mmX 10mm計(jì)算，在一個(gè)芯片內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)集成1000個(gè)以上AH)的陣列，從 而增加隨機(jī)數(shù)的生成效率。這一方法無需光源即可工作，光源甚至背景的雜散光均可成為 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的資源，到達(dá)APD的光子僅會(huì)影響產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的效率，而不會(huì)影響隨機(jī)序列的 隨機(jī)特性。因此，這一方法具有很高的集成度，并且對于環(huán)境具有良好的兼容性，無需低溫、 嚴(yán)密遮光等特殊工作條件即可正常工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明基于APD產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的無偏真隨機(jī)數(shù)生成方法的原理框圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明增加可選光源的無偏真隨機(jī)數(shù)生成方法的原理框圖；
[0050] 圖3為本發(fā)明使用多個(gè)Aro陣列并行產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的無偏真隨機(jī)數(shù)生成方法的原理 框圖；
[0051] 圖4為本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的一種具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)；
[0052] 圖5為本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的集成電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0054] 本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的具體實(shí)現(xiàn)原理如下：對光電雪崩二極管產(chǎn)生的電 子學(xué)脈沖進(jìn)行編碼，并生成隨機(jī)序列。本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的技術(shù)方案包括：可 選的光源模塊、可調(diào)衰減模塊、可以產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的光電雪崩二極管模塊（AH)模塊）、雪 崩信號(hào)甄別整形放大模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和編碼器模塊，其中，Aro模塊產(chǎn)生的雪崩電 信號(hào)作為物理隨機(jī)信號(hào)源，該信號(hào)輸入到后續(xù)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換和編碼器模塊；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn) 換模塊按一定間隔將產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，記錄落入不同的時(shí)間片之內(nèi) 的雪崩電信號(hào)并進(jìn)行編號(hào)；將產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的時(shí)間片編號(hào)送入編碼器模塊，編碼器模塊 將連續(xù)的若干個(gè)時(shí)間片分成一組，對輸入的雪崩電信號(hào)編號(hào)進(jìn)行編碼，得到多進(jìn)制或二進(jìn) 制的隨機(jī)序列?？蛇x的光源模塊發(fā)出的光脈沖，被可調(diào)衰減模塊衰減到單光子量級(jí)后，輸入 Aro模塊。通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減模塊的衰減值，可以調(diào)節(jié)Aro模塊產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的幾率，從 而調(diào)節(jié)隨機(jī)數(shù)的生成效率。
[0055] 本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以使用多個(gè)Aro并行產(chǎn)生隨機(jī)序列，從而提高隨 機(jī)數(shù)的產(chǎn)生效率。在使用光源的情況下，多個(gè)Aro與光源可以通過自由空間直接連接，或者 光纖的光耦合器件實(shí)現(xiàn)耦合，本發(fā)明對于光耦合器件的耦合比沒有嚴(yán)格的要求，從而進(jìn)一 步增加了方案在實(shí)際條件下的可用性。
[0056] 下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)地闡述。
[0057] 實(shí)施例1 :
[0058] 本發(fā)明以Aro產(chǎn)生的雪崩電信號(hào)作為物理隨機(jī)源，其基本的實(shí)現(xiàn)方式之一如圖1 所示：Aro模塊中的Aro當(dāng)沒有雪崩信號(hào)時(shí)，只存在較低的暗電流，當(dāng)有雪崩信號(hào)時(shí)，將有明 顯的雪崩電流存在。APD1-1的輸出與雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊1-2相連，作為該模塊的 輸入信號(hào)。Aro的雪崩電信號(hào)可以在甄別整形放大模塊中以電流形式直接處理，或通過電阻 等轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊輸出可以由后續(xù)模塊處理的電學(xué) 信號(hào)，作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊1-3的輸入。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊將探測時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間 片，并記錄雪崩電信號(hào)所處的時(shí)間片，將具轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信息后，送入編碼器模塊1-4。 編碼器模塊1-4按照編碼規(guī)則將送入的雪崩電信號(hào)時(shí)間信息編碼為隨機(jī)比特序列，并送入 隨機(jī)序列采集存儲(chǔ)模塊1-5。隨機(jī)序列采集存儲(chǔ)模塊1-5負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)生成的隨機(jī)比特序 列，并按需輸出以供使用。
[0059] 實(shí)現(xiàn)方案中的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊可以使用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備完成，或采用集成電 路芯片及輔助器件完成。若采用的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備本身包含上位機(jī)，則編碼和數(shù)據(jù)采集 可以同時(shí)在上位機(jī)完成。
[0060] 隨機(jī)序列采集模塊可以采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合PC機(jī)、FPGA芯片、DPS芯片 等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。
[0061] 以下描述本發(fā)明的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的一種實(shí)現(xiàn)方案中的編碼方法。
[0062] Aro器件在未探測到光子時(shí)，由于熱噪聲等因素的作用，也可以由自身的暗電流產(chǎn) 生暗計(jì)數(shù)。由于熱噪聲的能量遠(yuǎn)小于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙，因此原子的躍遷幾率較小，可 以按獨(dú)立同分布事件（IID)進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)處于價(jià)帶頂部的原子數(shù)目為Ni，單個(gè)電子的躍遷 幾率為 ？1時(shí)，在時(shí)間τ內(nèi)躍遷到導(dǎo)帶內(nèi)的電子總數(shù)ni = k的幾率可以用伯努利分布來描 述，即：
[0063]
【權(quán)利要求】
1. 一種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括光電雪崩二極管和處理器，其中所述處理器通過對 所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的電子學(xué)脈沖進(jìn)行編碼，生成隨機(jī)序列。
2. -種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括： 光電雪崩二極管模塊，用來產(chǎn)生雪崩電信號(hào)； 雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊，用來對所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的所述雪崩電信號(hào)進(jìn)行 放大處理，轉(zhuǎn)換成適合被后續(xù)模塊處理的信號(hào)； 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，用來接收所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊處理的雪崩電信號(hào)，并 按一定間隔將產(chǎn)生所述雪崩電信號(hào)的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，記錄落入不同的時(shí)間片之內(nèi)的 雪崩電信號(hào)并進(jìn)行編號(hào)；以及 編碼器模塊，用來接收所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊記錄的雪崩電信號(hào)的時(shí)間片編號(hào)，將連 續(xù)的若干個(gè)時(shí)間片分成一組，對輸入的雪崩電信號(hào)編號(hào)進(jìn)行編碼，得到多進(jìn)制或二進(jìn)制的 隨機(jī)序列。
3. -種無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，包括下列步驟： 光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生雪崩電信號(hào)； 雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊對所述光電雪崩二極管產(chǎn)生的所述雪崩電信號(hào)進(jìn)行放大 處理，轉(zhuǎn)換成適合被后續(xù)模塊處理的信號(hào)； 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊接收所述雪崩信號(hào)甄別整形放大模塊處理的雪崩電信號(hào)，并按一定 間隔將產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，記錄落入不同的時(shí)間片之內(nèi)的雪崩電信號(hào) 并進(jìn)行編號(hào)；以及 編碼器模塊接收所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊記錄的雪崩電信號(hào)的時(shí)間片編號(hào)，將連續(xù)的若 干個(gè)時(shí)間片分成一組，對輸入的雪崩電信號(hào)編號(hào)進(jìn)行編碼，得到多進(jìn)制或二進(jìn)制的隨機(jī)序 列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中 通過調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊的偏置電壓來實(shí)現(xiàn)對所述雪崩信號(hào)發(fā)生幾率的調(diào)節(jié)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中 所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括光源模塊和可調(diào)衰減模塊，所述光源模塊發(fā)出光脈沖，被 所述可調(diào)衰減模塊衰減到單光子量級(jí)后，輸入到所述光電雪崩二極管模塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中通過 調(diào)節(jié)所述可調(diào)衰減模塊的衰減值來調(diào)節(jié)所述光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生雪崩信號(hào)的幾率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中所述 光電雪崩二極管模塊通過自由空間或光耦合器件與所述光源模塊實(shí)現(xiàn)耦合；其中，所述光 耦合器件優(yōu)選為光纖分束器或者透鏡/微透鏡陣列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中 所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還包括隨機(jī)序列采集存儲(chǔ)模塊，用來采集、存儲(chǔ)所述編碼器模塊 生成的隨機(jī)比特序列。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中 所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括多個(gè)光電雪崩二極管模塊，所述多個(gè)光電雪崩二極管模塊并 行產(chǎn)生隨機(jī)序列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中所 述編碼器模塊將所述多個(gè)光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)按順序排列或穿插排列方 式進(jìn)行多路復(fù)合編碼。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或無偏真隨機(jī)數(shù)的生成方法，其中 所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和編碼器模塊均在PC機(jī)、FPGA或DPS上運(yùn)行。
12. -種無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，包括： 若干個(gè)光電雪崩二極管模塊陣列，分別有輸出引線與編碼器電路相連，用來分別輸出 雪崩電信號(hào)；以及 編碼器電路，用來實(shí)現(xiàn)對所述多路雪崩電信號(hào)的捕獲、轉(zhuǎn)換和編碼，輸出多進(jìn)制或二進(jìn) 制的隨機(jī)序列。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，其中所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 芯片還包括光學(xué)耦合頭和分光器件，用來為外部光源提供到所述若干個(gè)光電雪崩二極管模 塊陣列的光路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，其中所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生 器芯片還包括若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊，用來為所述若干個(gè)光電雪崩二極管模塊陣列產(chǎn)生 驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊優(yōu)選為每個(gè)光電雪崩二極管模塊單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)信 號(hào)；以及所述若干個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)優(yōu)選來自于所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯 片內(nèi)部的時(shí)鐘源或外部的觸發(fā)信號(hào)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，其中所述無偏真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 芯片還包括特征提取模塊和偏壓控制模塊，其中所述特征提取模塊通過對所述無偏真隨機(jī) 數(shù)發(fā)生器芯片產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到產(chǎn)生的雪崩概率等信息，并傳輸給所述偏壓 控制模塊，所述偏壓控制模塊通過調(diào)節(jié)每個(gè)光電雪崩二極管模塊的偏置電壓，調(diào)節(jié)所述每 一個(gè)光電雪崩二極管模塊產(chǎn)生雪崩電信號(hào)的幾率。
【文檔編號(hào)】G06F7/58GK104216678SQ201410478930
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】陳巍, 王雙, 王紡翔, 王超, 何德勇, 周政, 韓正甫, 郭光燦 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)