一种量子随机数序列产生方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及随机数序列产生技术领域，尤其涉及一种基于雪崩二极管的量子随机数序列产生方法、系统及装置。


背景技术：

2.信息技术的不断发展，给人们的生活带来极大的便利，但也从一些角度催化信息安全问题日益突出，可能会赋予安全攻击者更加多元的攻击手段，导致人们对信息网络结构安全、数据安全和信息内容安全的担忧日益增多。随机数是信息安全技术中密钥产生的核心部分，而现阶段应用的伪随机数多为数学方法或者可建模方式产生,其存在可被预测、周期性、规律性等本质缺陷,给保密通信、安全网络和加密终端等加密应用带来安全隐患。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种量子随机数序列产生方法、系统及装置，用于克服现有的伪随机数可被预测、周期性和规律性的缺陷，提高所产生的随机数的质量。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种量子随机数序列产生方法，包括：
6.调节雪崩二极管所处的环境温度为预设温度；
7.向所述雪崩二极管施加预设压降的负向偏压，并对所述雪崩二极管的输出信号进行采样；所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管工作于盖革模式；
8.判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果；
9.当所述第一判断结果为是时，根据所述第一预设个数的采样点所采集的输出信号判断所述雪崩二极管是否发生电子隧穿，得到第二判断结果；
10.当所述第二判断结果为是时，将本次的采样结果记为第一随机数；
11.当所述第二判断结果为否时，将本次的采样结果记为第二随机数；
12.将所述采样点的个数置为0，返回“判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果”的步骤；直至采样完成，根据所有所述采样结果得到量子随机数序列。
13.与现有技术相比，本发明提供的一种量子随机数序列产生方法中，基于雪崩二极管这一电子学器件，利用其工作于盖革模式下时，电子隧穿的量子物理效应来获取随机电子隧穿信号，进而产生量子随机数序列，能够提高所产生的量子随机数序列的质量，解决数学方式或可建模方式所产生的伪随机数可被预测、周期性和规律性的缺陷。
14.本发明还提供一种量子随机数序列产生系统，包括：
15.调温模块，用于调节雪崩二极管所处的环境温度为预设温度；
16.采样模块，用于向所述雪崩二极管施加预设压降的负向偏压，并对所述雪崩二极管的输出信号进行采样；所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管工作于盖革模式；
17.第一判断模块，用于判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果；
18.第二判断模块，用于当所述第一判断结果为是时，根据所述第一预设个数的采样点所采集的输出信号判断所述雪崩二极管是否发生电子隧穿，得到第二判断结果；
19.随机数生成模块，用于当所述第二判断结果为是时，将本次的采样结果记为第一随机数；当所述第二判断结果为否时，将本次的采样结果记为第二随机数；
20.返回模块，用于将所述采样点的个数置为0，返回“判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果”的步骤；直至采样完成，根据所有所述采样结果得到量子随机数序列。
21.与现有技术相比，本发明提供的量子随机数序列产生系统的有益效果与上述技术方案所述量子随机数序列产生方法的有益效果相同，此处不做赘述。
22.本发明还用于提供一种量子随机数序列产生装置，包括：控制单元、温控单元和雪崩二极管；
23.所述控制单元分别与所述温控单元和所述雪崩二极管相连接；
24.所述控制单元用于控制所述温控单元调节所述雪崩二极管所处的环境温度为预设温度；
25.所述控制单元还用于向所述雪崩二极管施加预设压降的负向偏压，并对所述雪崩二极管的输出信号进行采样，根据采样点的采样信号得到量子随机数序列；所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管工作于盖革模式。
26.与现有技术相比，本发明提供的量子随机数序列产生装置的有益效果与上述技术方案所述量子随机数序列产生方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例1所提供的产生方法的方法流程图。
29.图2为本发明实施例1所提供的雪崩二极管电子隧穿过程的原理图。
30.图3为本发明实施例1所提供的雪崩二极管隧穿概率的曲线图。
31.图4为本发明实施例1所提供的优化方法的方法流程图。
32.图5为本发明实施例1所提供的产生方法的电路原理图。
33.图6为本发明实施例2所提供的产生系统的系统框图。
34.图7为本发明实施例3所提供的产生装置的结构框图。
35.附图标记：
[0036]1‑
控制单元；2
‑
温控单元；3
‑
雪崩二极管；4
‑
电源转换单元；5
‑
放大单元；6
‑
比较单元；7
‑
淬灭单元。
具体实施方式
[0037]
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也
并不限定一定不同。
[0038]
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
[0039]
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0040]
实施例1：
[0041]
现有的随机数生成方法生成的多是伪随机数，其存在可被预测、周期性和规律性等本质缺陷。如果随机数来源于自然界中物理现象的内禀随机性，那么理论上可彻底消除伪随机数可被预测、周期性、规律性的弊端。真随机数虽然过于理想，但可以基于理论的优势努力接近，尽力获取。从早期的经典物理噪声随机数，到现在的量子随机数，无一不体现着人们对获取真随机数的渴望。尤其是量子随机数，它的发展不断地逼近理想真随机数。
[0042]
请参见图1，为了获得更高质量的量子随机数序列，本实施例用于提供一种量子随机数序列产生方法，包括：
[0043]
s1：调节雪崩二极管3所处的环境温度为预设温度；
[0044]
当雪崩二极管3工作于常温或高温下时，其会产生大量的热噪声，当产生大量的热噪声时，则无法根据雪崩二极管3的输出信号判断雪崩二极管3内是否发生电子隧穿，则无法生成量子随机数。基于此，本实施例设置温控单元2，通过控制单元1控制温控单元2工作，进而通过该温控单元2调控雪崩二极管3的环境温度为预设温度，预设温度可为
‑
20度。
[0045]
s2：向所述雪崩二极管3施加预设压降的负向偏压，并对所述雪崩二极管3的输出信号进行采样；所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管3工作于盖革模式；
[0046]
请参见图2，图2的横坐标为位置x，纵坐标为势垒e，其示意性的给出了电子隧穿原理。当雪崩二极管3工作于盖革模式时，雪崩二极管3内的电子将有一定概率穿过高势垒位置区域，这种现象称为电子隧穿。电子隧穿的发生是随机事件，本实施例正是基于这一原理，利用雪崩二极管3的内秉物理效应来生成量子随机数。
[0047]
请参见图3，图3的横坐标为势垒e，纵坐标为隧穿概率p，其示意性的给出了隧穿概率随势垒的变化曲线。由于本实施例正是想利用电子隧穿这一随机事件来生成高质量的量子随机数，进而本实施例还可以通过调节预设压降，将雪崩二极管3的隧穿概率调整到50％，一般情况下，若发生电子隧穿，则认为此次对应的随机数为1，若没有发生电子隧穿，则认为此次对应的随机数为0，进而通过调节隧穿概率，能够均匀量子随机数中0和1所占的比例，更进一步的提高所产生的量子随机数的质量。
[0048]
在对雪崩二极管3的输出信号进行采样之前，为了提高输出信号的质量，所述方法还包括：由于雪崩二极管3的原始输出信号为弱信号，故先对输出信号进行放大，得到放大
后的输出信号。由于输出信号中不仅包括电子隧穿信号，还会包括噪声信号，为了去除噪声信号，本实施例根据放大后的输出信号的脉宽和/或幅值，对放大后的输出信号所包括的噪声信号和电子隧穿信号进行区分，得到电子隧穿信号。在获得电子隧穿信号之后，则根据采样点的电子隧穿信号来判断雪崩二极管3是否发生电子隧穿。
[0049]
s3：判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果；
[0050]
当雪崩二极管3工作于盖革模式下时，其每次的雪崩过程都会包括电子隧穿引起的雪崩效应以及雪崩效应的平静期或者不发生电子隧穿仅由噪声信号引起的雪崩效应以及雪崩效应的平静期。本实施例通过合理设置第一预设个数，完整采集雪崩过程。
[0051]
s4：当所述第一判断结果为是时，根据所述第一预设个数的采样点所采集的输出信号判断所述雪崩二极管3是否发生电子隧穿，得到第二判断结果；
[0052]
具体的，本实施例通过设置第二预设个数，第二预设个数小于第一预设个数。然后选取第一预设个数的采样点中的前第二预设个数的采样点，根据第二预设个数的采样点所采集的输出信号判断雪崩二极管3是否发生电子隧穿。第二预设个数则为雪崩效应对应的时间。举例而言，每次的雪崩过程均为2分钟，其中前10秒为雪崩效应，后续的1分50s为雪崩效应的平静期，那么，本实施例设置采样点的个数来对应时间，仅根据前10s内的采样点的输出信号来判断此次雪崩过程是由电子隧穿所引起的，还是噪声信号所引起的，进而确定本次采样过程中，雪崩二极管3是否发生电子隧穿。当然，此时也可以利用第二预设个数的采样点的电子隧穿信号来判断本次采样过程是否发生电子隧穿。
[0053]
s5：当所述第二判断结果为是时，将本次的采样结果记为第一随机数；当所述第二判断结果为否时，将本次的采样结果记为第二随机数；
[0054]
一般情况下，若雪崩二极管3发生电子隧穿，则将本次的采样结果记为1，若雪崩二极管3没有发生电子隧穿，则将本次的采样结果记为0。当然，也可以在雪崩二极管3发生电子隧穿时，将本次的采样结果记为0，在雪崩二极管3没有发生电子隧穿时，将本次的采样结果记为1。当然，也可以采样其他随机数，只要第一随机数和第二随机数不同即可。
[0055]
s6：将所述采样点的个数置为0，返回“判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果”的步骤；直至采样完成，根据所有所述采样结果得到量子随机数序列。
[0056]
按照第二判断结果的时间顺序，对所有采样结果进行排列，则可得到量子随机数序列。
[0057]
雪崩二极管3作为一种常见电子学器件，如果工作在盖革模式下，其内部输运过程主要包括噪声信号和电子隧穿信号，如果去除噪声信号，激发并利用其电子隧穿的量子效应来获取随机电子隧穿信号，那么可以制作出量子随机数发生器。基于这一原理，本实施例提出一种基于雪崩二极管3的量子随机数产生方法，基于雪崩二极管3电子载体产生量子物理效应，利用电子学方法产生量子随机数序列，即利用雪崩二极管3作为量子信号熵源，并利用雪崩二极管3在盖革模式下的电子隧穿信号作为量子熵源信号，能够显著提高产生的量子随机数的质量。
[0058]
作为一种可选的实施方式，为了进一步增加所产生的量子随机数的数量，本实施例的方法还可以包括：当第二判断结果为是时，将本次的采样结果记为第一随机数，并记录本次电子隧穿的隧穿发生时间点。然后利用隧穿发生时间点对上述得到的量子随机数序列进行优化，请参见图4，具体可以包括：
[0059]
s11：将所述量子随机数序列中任意两个相邻所述第一随机数对应的隧穿发生时间点分别记为第一时间点和第二时间点；两个相邻所述第一随机数之间不包括所述第二随机数或包括所述第二随机数；
[0060]
举例而言，本实施例所得到的量子随机数序列为1001101，1为第一随机数，0是第二随机数，则第一个1和第2个1是相邻两个第一随机数，第2个1和第3个1也是相邻两个第一随机数，第3个1和第4个1也是相邻两个第一随机数。
[0061]
s12：将任意两个相邻所述第一随机数以内的随机数组成待优化序列；
[0062]
以第一个1和第二个1为例，第一个1和第二个1以内的随机数组成的待优化序列为1001。
[0063]
s13：根据预设周期信号、所述第一时间点和所述第二时间点得到优化序列；
[0064]
具体的，计算预设周期信号中第一时间点和第二时间点之间的周期个数，再对周期个数进行二进制编码，得到优化序列。以第一个1和第二个1为例，假设其对应的第一时间点和第二时间点之间有20个周期，则对20进行二进制编码，所得到的优化序列为10100。
[0065]
s14：利用所述优化序列替换所述待优化序列，得到数量优化的量子随机数序列。
[0066]
在得到数量优化的量子随机数序列后，本实施例还可以利用huffman编码方法对数量优化的量子随机数序列进行数学优化，得到质量优化的量子随机数序列，以将原始数据压缩为符合密码学要求的量子随机数序列，提高量子随机数序列的质量。
[0067]
雪崩效应的平静期时间很长，会影响本实施例随机数的生成速率。为了提高随机数的生成速率，本实施例的方法还包括：根据预设周期或在雪崩二极管3发生电子隧穿之后，对雪崩二极管3进行淬灭处理，并返回“向雪崩二极管3施加预设压降的负向偏压”的步骤。根据预设周期进行淬灭为周期性淬灭，在雪崩二极管3发生电子隧穿之后进行淬灭为主动淬灭，无论采用哪种淬灭方式，均可以提高随机数的生成速率，提高效率。
[0068]
为了实现雪崩二极管3的淬灭处理，本实施例提供两种方法作为示例。第一种方法，通过控制单元1改变向雪崩二极管3所施加的反向偏压的压降，使其低于预设压降，此时的压降不足以使雪崩二极管3工作于盖革模式。在淬灭处理结束后，再通过控制单元1向雪崩二极管3施加预设压降的反向偏压，使雪崩二极管3恢复工作于盖革模式。第二种方法，请参阅图5，设置与雪崩二极管3相串联的下拉电阻，下拉电阻与三极管相连接，三极管接地。通过控制单元1控制三极管导通，则下拉电阻的存在会分压，使雪崩二极管3的压降低于预设压降，无法工作于盖革模式。在淬灭处理结束后，再通过控制单元1控制三极管截止，使雪崩二极管3恢复工作于盖革模式。
[0069]
实施例2：
[0070]
本发明实施例根据上述方法示例进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
[0071]
请参见图6，本实施例用于提供一种量子随机数序列产生系统，包括：
[0072]
调温模块m1，用于调节雪崩二极管3所处的环境温度为预设温度；
[0073]
采样模块m2，用于向所述雪崩二极管3施加预设压降的负向偏压，并对所述雪崩二
极管3的输出信号进行采样；所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管3工作于盖革模式；
[0074]
第一判断模块m3，用于判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果；
[0075]
第二判断模块m4，用于当所述第一判断结果为是时，根据所述第一预设个数的采样点所采集的输出信号判断所述雪崩二极管3是否发生电子隧穿，得到第二判断结果；
[0076]
随机数生成模块m5，用于当所述第二判断结果为是时，将本次的采样结果记为第一随机数；当所述第二判断结果为否时，将本次的采样结果记为第二随机数；
[0077]
返回模块m6，用于将所述采样点的个数置为0，返回“判断采样点的个数是否达到第一预设个数，得到第一判断结果”的步骤；直至采样完成，根据所有所述采样结果得到量子随机数序列。
[0078]
本实施例采用基于雪崩二极管3的电子器件产生电子隧穿信号，并抑制其它噪声信号，利用放大、比较、控制单元1进行原始电子隧穿信号采集，并将采集后的电子隧穿信号利用后处理算法处理，形成可供加密使用的随机数，提高所产生的量子随机数序列的质量。
[0079]
上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。
[0080]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、终端、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘(digital video disc，dvd)；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘(solid state drive，ssd)。
[0081]
实施例3：
[0082]
随着用户对安全性要求的不断提高和攻击者计算能力的不断提升，新型安全、可靠、高效的随机数产生技术急需发展，量子随机数生成技术能够从内秉物理效应上提高随机数的质量。现有的量子随机数产生技术多依赖于光路设计，考虑到随机数发生器系统与应用系统的融合设计，以及后者对随机数的高速率、高品质、强鲁棒、高环境适应性和安全性等需求，本实施例提出一种基于雪崩二极管3的高鲁棒性、低功耗和高集成度的量子随机数序列产生装置，请参见图7，包括：控制单元1、温控单元2和雪崩二极管3，控制单元1分别与温控单元2和雪崩二极管3相连接。具体的，控制单元1可以选择fpga芯片，具体选用fpga7020芯片，雪崩二极管3可以选用si基雪崩二极管。fpga芯片的供电电压可选用1.2v，3.3v和5v。
[0083]
控制单元1用于控制温控单元2调节雪崩二极管3所处的环境温度为预设温度，以
克服热噪声对雪崩二极管3输出信号的影响。预设温度可为
‑
20度。
[0084]
控制单元1还用于向雪崩二极管3施加预设压降的负向偏压，并对雪崩二极管3的输出信号进行采样，根据采样点的采样信号得到量子随机数序列。所述预设压降的负压偏压使所述雪崩二极管3工作于盖革模式，预设压降可为125v。根据采样点的采样信号得到量子随机数序列的方法参见实施例1中的方法。控制单元1还可以利用隧穿发生时间点对得到的量子随机数序列进行优化，得到数量优化的量子随机数序列，优化时所用的方法与实施例1中的优化方法相同。然后在得到数量优化的量子随机数序列后，利用huffman编码方法对数量优化的量子随机数序列进行数学优化，得到质量优化的量子随机数序列，提高量子随机数序列的质量。在得到最终的质量优化的量子随机数序列后，通过pci
‑
e接口安插到应用主板，成为可用于高安全等级加密使用的10
‑
100mbps级量子随机数。
[0085]
作为一种可选的实施方式，本实施例的装置还包括电源转换单元4，电源转换单元4一端与控制单元1相连接，一端与雪崩二极管3和温控单元2相连接，用于根据控制单元1的指令向雪崩二极管3和温控单元2提供工作电压，满足雪崩二极管3和温控单元2的需求。电源转换单元4可以选用lm5002。
[0086]
在对雪崩二极管3的输出信号进行采样之前，为了提高输出信号的质量，所述装置可以利用控制单元1对输出信号进行放大和区分，得到电子隧穿信号。当然，本实施例的装置还包括放大单元5和比较单元6，放大单元5选用放大器，具体可选用opa690，比较单元6选用比较器，具体可选用tlv3501。利用放大单元5对雪崩二极管3的输出信号进行放大，得到放大后的输出信号。利用比较单元6通过对比电子隧穿信号和噪声信号的幅值，对放大后的输出信号所包括的噪声信号和电子隧穿信号进行区分，得到电子隧穿信号。
[0087]
雪崩效应的平静期时间很长，会影响本实施例随机数的生成速率。为了提高随机数的生成速率，本实施例的装置还包括淬灭单元7，淬灭单元7用于在控制单元1的控制下根据预设周期或在雪崩二极管3发生电子隧穿之后，对雪崩二极管3进行淬灭处理。根据预设周期进行淬灭为周期性淬灭，在雪崩二极管3发生电子隧穿之后进行淬灭为主动淬灭，无论采用哪种淬灭方式，均可以提高随机数的生成速率，提高效率。
[0088]
本发明通过设计，利用基于雪崩二极管3的电子隧穿信号作为随机熵源，进一步设计放大、比较、控制、淬灭等单元，完成从方法到电路及装置的发明。从方法提出到电路设计，再到装置的实现，可推动小型化、全电化量子随机数的产生及量子随机数发生器的应用。本实施例的装置基于电子学设计具有鲁棒性强和可集成度高的优势，克服以往的量子随机数发生器在稳定性和可集成性上的瓶颈。
[0089]
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0090]
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修
改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。