量子随机数生成装置和方法与流程

本申请实施例涉及传输与承载，尤其涉及一种量子随机数生成装置和方法。

背景技术：

1、量子随机数生成器（qrng，quantum random number generator）利用量子力学原理（如光子的波粒二象性、量子真空涨落或自发辐射）产生真随机数。与基于算法的伪随机数不同，其随机性源于物理过程的内在不可预测性，具有不可重现性和高安全性。现有的物理熵源提取技术通常包括光子到达时间测量、激光相位波动测量等。

2、然而现有技术（例如激光方案）集成度低、成本高：激光系统依赖外部光学元件，导致其难以小型化和低成本化，无法满足移动终端或大规模部署的物联网设备对小型化安全模块的需求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本申请实施例提供一种量子随机数生成方法、电子设备、存储介质及计算机程序产品。

2、根据本申请实施例的第一方面，提供一种量子随机数生成装置，所述装置包括：

3、量子熵源模块，包括至少一个微发光二极管像素单元，所述微发光二极管像素单元用于在正向偏置电流驱动下产生自发辐射光子；

4、光电探测与放大模块，包括雪崩光电二极管和滤波放大器，所述雪崩光电二极管用于接收所述自发辐射光子并转换为电信号，所述滤波放大器用于提取并放大所述电信号的交流分量；

5、数据采集与处理模块，包括模数转换器和后处理单元，所述模数转换器用于将放大后的交流分量模拟信号转换为原始数字信号序列，所述后处理单元用于对所述原始数字信号序列执行自减法操作和有效位保留操作，以提取出量子随机数比特流。

6、在一种实施方式中，所述量子熵源模块包括多个所述微发光二极管像素单元，所述多个微发光二极管像素单元排列为二维阵列，用于在长波长波段下作为聚合光源使用，以增加光子通量。

7、在一种实施方式中，所述微发光二极管像素单元生长于半极性晶面，用于抑制极化电场，以提升特定波段的发光效率，所述特定波段包括蓝光波段或绿光波段。

8、在一种实施方式中，所述自减法操作，包括：

9、将所述原始数字信号序列划分为第一序列和第二序列，所述第一序列和所述第二序列为两个时间等长的非重叠片段；

10、将所述第二序列减去所述第一序列得到第三序列，以扩展动态范围并消除直流偏置。

11、在一种实施方式中，所述有效位保留操作，包括：

12、保留所述第三序列最低的预设阈值个有效位，以滤除低频噪声；

13、基于所述第三序列最低的预设阈值个有效位，提取所述量子随机数比特流。

14、在一种实施方式中，所述微发光二极管包括ingan基微发光二极管。

15、根据本申请实施例的第二方面，提供一种量子随机数生成方法，应用于第一方面中任一项所述的装置，所述方法包括：

16、驱动量子熵源模块中的至少一个微发光二极管像素单元，使其产生包含量子不确定性的自发辐射光信号；

17、利用雪崩光电二极管探测所述自发辐射光信号并转换为电信号，并通过滤波放大器提取并放大所述电信号的交流分量；

18、利用模数转换器对放大后的交流分量模拟信号进行数字采样，获取原始数字信号序列；

19、对所述原始数字信号序列执行自减法操作以消除直流偏置，并执行最低有效位保留操作以提取出量子随机数比特流。

20、在一种实施方式中，所述量子熵源模块包括多个微发光二极管像素单元，所述多个微发光二极管像素单元排列为二维阵列，所述方法，还包括：

21、同时驱动所述二维阵列中的多个微发光二极管像素单元，使其作为聚合光源以发出长波长波段的自发辐射光。

22、在一种实施方式中，所述自减法操作，包括：

23、将所述原始数字信号序列划分为第一序列和第二序列，所述第一序列和所述第二序列为两个时间等长的非重叠片段；

24、将所述第二序列减去所述第一序列得到第三序列。

25、在一种实施方式中，所述执行最低有效位保留操作以提取出量子随机数比特流，包括：

26、保留所述第三序列最低的预设阈值个有效位；

27、基于所述第三序列最低的预设阈值个有效位，提取所述量子随机数比特流。

28、本申请实施例能够达到以下有益效果：本申请实施例提供的量子随机数生成装置包括：量子熵源模块，包括至少一个微发光二极管像素单元，微发光二极管像素单元用于在正向偏置电流驱动下产生自发辐射光子；光电探测与放大模块，包括雪崩光电二极管和滤波放大器，雪崩光电二极管用于接收自发辐射光子并转换为电信号，滤波放大器用于提取并放大电信号的交流分量；数据采集与处理模块，包括模数转换器和后处理单元，模数转换器用于将放大后的交流分量模拟信号转换为原始数字信号序列，后处理单元用于对原始数字信号序列执行自减法操作和有效位保留操作，以提取出量子随机数比特流。该装置通过微发光二极管自发辐射的量子涨落作为真随机熵源，结合高带宽雪崩光电探测和滤波放大提取交流分量，自减法操作有效消除直流偏置，有效位保留则滤除经典噪声，实现低延迟、高效率的随机性提取。利用微发光二极管的高速调制特性和阵列可扩展优势，无需复杂光学元件，易于单片集成，生成速率可达gb/s量级，显著超越传统led方案，且成本低廉、波长可调，适用于高速加密通信、数据中心安全及物联网设备等场景。

29、本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种量子随机数生成装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子熵源模块包括多个所述微发光二极管像素单元，所述多个微发光二极管像素单元排列为二维阵列，用于在长波长波段下作为聚合光源使用，以增加光子通量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微发光二极管像素单元生长于半极性晶面，用于抑制极化电场，以提升特定波段的发光效率，所述特定波段包括蓝光波段或绿光波段。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自减法操作，包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述有效位保留操作，包括：

6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述微发光二极管包括ingan基微发光二极管。

7.一种量子随机数生成方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的装置，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述量子熵源模块包括多个微发光二极管像素单元，所述多个微发光二极管像素单元排列为二维阵列，所述方法，还包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自减法操作，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述执行最低有效位保留操作以提取出量子随机数比特流，包括：