基于激光相位波動的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器.pdf

1、本文針對包括量子密鑰分發(fā)等現(xiàn)代安全通信協(xié)議在內(nèi)的科技和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量、高產(chǎn)生速度的隨機數(shù)的需求，研制了小型集成化的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器樣機。所研制發(fā)生器的量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)生速度達(dá)到了3.2 Gbps，并能通過NIST隨機性檢驗，符合真隨機數(shù)的基本特征。
　　本文對不同的隨機數(shù)發(fā)生方案進(jìn)行了比較，最終選擇了基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生方案，同時通過建模的方法對這種方案的可行性進(jìn)行了理論分析，并以實驗的方法確定了系統(tǒng)的最優(yōu)工作

2、點。在基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生方案中，量子相位波動作為量子信號源，其隨機性來源于激光的自發(fā)輻射。干涉儀可以將不可直接測量的相位波動轉(zhuǎn)換為可測量的光強波動，然后通過高速光電探測器轉(zhuǎn)換為隨機波動的電信號，進(jìn)而進(jìn)行采集量化獲得原始的量子隨機數(shù)。除此之外，本文還設(shè)計了用于測試目的的內(nèi)存條模塊以及光纖、千兆位以太網(wǎng)、USB2.0等數(shù)據(jù)傳輸接口以滿足不同的應(yīng)用需求，其中通過光纖傳輸通道量子隨機數(shù)的有效輸出速率為3.2 Gbps。
　　

3、本文在研制基于激光相位波動的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器過程中，針對安全性經(jīng)信息論證明的后處理對原始隨機數(shù)處理速度慢的問題，提出了一種在FPGA中實現(xiàn)的高速后處理算法，實時后處理速度達(dá)到了3.36 Gbps，解決了技術(shù)瓶頸。
　　受到經(jīng)典噪聲和實際器件的非理想性等因素的不利影響，原始隨機數(shù)往往并非理想的真隨機數(shù)，需要經(jīng)過后處理才能獲得符合真隨機數(shù)特征的量子隨機數(shù)。而現(xiàn)有的安全性經(jīng)信息論證明的后處理過程計算量大，導(dǎo)致處理速度緩慢，所以對原始

4、隨機數(shù)一般只能進(jìn)行離線的而非高速實時的后處理，這嚴(yán)重限制了量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)生速度。針對這一問題，我們通過認(rèn)真研究基于大型Toeplitz矩陣后處理的計算特點，提出了一種基于矩陣分解的并行算法，顯著降低了該算法所需的硬件邏輯資源，成功地在FPGA中實現(xiàn)了基于大型Toeplitz矩陣的高速后處理運算，實時后處理速度達(dá)到了3.36 Gbps。我們對經(jīng)過后處理的量子隨機數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計均勻性、自相關(guān)性、NIST檢驗等隨機性測試，測試結(jié)果顯示量子隨

5、機數(shù)符合真隨機數(shù)的基本特征，說明后處理算法有效。這種在FPGA中并行實現(xiàn)的高速后處理算法解決了后處理速度與原始隨機數(shù)發(fā)生速度嚴(yán)重不匹配問題，使基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生器能夠真正產(chǎn)生高速的量子隨機數(shù)。
　　本文的主要創(chuàng)新點和創(chuàng)新成果如下:
　　1)針對包括量子密鑰分發(fā)等現(xiàn)代安全通信協(xié)議在內(nèi)的科技和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量、高產(chǎn)生速度的隨機數(shù)的需求，成功研制了小型集成化的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器樣機。所研制發(fā)生器的量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)