基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法与流程

1.本发明属于计算机和量子光学交叉学科领域，具体是指一种通过衰减激光脉冲获得弱相干脉冲序列并通过非空脉冲时序位置探测生成随机数的技术，尤其涉及一种基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.弱相干脉冲光源可作为理想单光子光源的替代方案，在量子光学领域特别是量子通信领域发挥重要作用。弱相干脉冲可通过衰减激光脉冲功率获得，当单脉冲平均光子数小于1时，弱相干脉冲将呈现出与相干脉冲不同的光子态特性：单脉冲光子将随机呈现出真空态(空脉冲)、单光子态(非空脉冲、零延迟二阶相关系数为0)和多光子态(非空脉冲、零延迟二阶相关系数为0)，非空脉冲光子数近似满足泊松分布。弱相干脉冲具备一定的随机分布特性，满足海森堡测不准原理、量子态不可分离原理、量子态不可复制原理等，能够支持通信双方的量子真随机数同步共享。
3.随机数生成技术在计算机学科和通信学科运用广泛，典型应用包括但不限于蒙特卡洛估算、pn码分多址、hardcore加密、机器学习模型训练等。然而，传统的通过算法产生的随机数均为伪随机数，理论上可通过海量计算推测随机数生成规律，只有通过真实随机事件(物理随机过程)产生的随机数才是真随机数。另一方面，传统的硬件噪声随机数生成器需要捕捉放大电路热噪声、电磁场环境噪声等，随机数生成速率较慢且具有高度的不确定性(硬件用户行为、电磁环境变化)。


技术实现要素：

4.针对现有技术，本发明要解决的技术问题是通过衰减激光脉冲序列生成单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列，利用单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲响应，定时采样记录非空脉冲时间序号并通过二进制转码生成高速随机数序列。
5.为了达到上述效果，本发明提供的基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法，通过激光脉冲序列、可调谐衰减器、单光子探测器、时域分析仪实现弱相干脉冲产生与探测，通过衰减激光脉冲序列生成单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列，通过时序位置记录和二进制转码实现时序编码随机数生成，利用单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲响应，定时采样记录非空脉冲时间序号并通过二进制转码生成高速随机数序列。
6.优选的，上述弱相干脉冲序列重复频率稳定、空脉冲与非空脉冲平均占比均为50％。
7.优选的，上述弱相干脉冲序列通过衰减激光脉冲序列实现，或通过电泵浦/光泵浦方量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现。
8.优选的，上述时序编码在整数倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内，记录非空脉冲响应出现的时序位置，通过序号转码生成随机数序列，通过定长采样或通过非定长采
样实现时序编码。
9.优选的，上述定长采样方案是指在固定不变的、整数倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数。
10.优选的，上述非定长采样方案是指在不固定的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数。
11.优选的，上述随机数生成即通过多路弱相干脉冲序列和多通道单光子探测实现。
12.优选的，上述多路弱相干脉冲序列实现方法包括但不限于：多台脉冲激光器和多个可调谐衰减器独立产生多路弱相干脉冲序列、非线性光频梳经波分复用系统分至多路并通过多个可调谐衰减器产生弱相干脉冲序列、多波长单光子光源经波分复用系统产生多路单光子序列。
13.一种实现如上述基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法的系统，包括：
14.弱相干脉冲产生与探测单元，用于通过激光脉冲序列、可调谐衰减器、单光子探测器、时域分析仪实现弱相干脉冲产生与探测；
15.弱相干脉冲序列生成单元，用于通过衰减激光脉冲序列生成单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列；
16.时序编码随机数生成单元，用于通过时序位置记录和二进制转码实现时序编码随机数生成；
17.高速随机数序列生成单元，用于利用单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲响应，定时采样记录非空脉冲时间序号并通过二进制转码生成高速随机数序列。
18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
19.与现有技术相比，本发明通过探测单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列中非空脉冲时序位置经定长采样后编码生成随机数序列，本发明结构简单、易于集成，能够产生重复频率高、稳定性好、具有符合量子力学基本原理的真随机属性的随机数序列，为安全通信、及其学习、随机算法等应用提供全新解决思路。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出了本发明基于弱相干脉冲时序编码随机数生成器示意图。
具体实施方式
22.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
23.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实
体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
24.本实施例提供一种基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法，通过激光脉冲序列、可调谐衰减器、单光子探测器、时域分析仪实现弱相干脉冲产生与探测，通过衰减激光脉冲序列生成单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列，通过时序位置记录和二进制转码实现时序编码随机数生成，利用单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲响应，定时采样记录非空脉冲时间序号并通过二进制转码生成高速随机数序列。
25.在一些实施例中，弱相干脉冲序列重复频率稳定、空脉冲与非空脉冲平均占比均为50％。
26.在一些实施例中，弱相干脉冲序列通过衰减激光脉冲序列实现，或通过电泵浦/光泵浦方量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现。
27.在一些实施例中，时序编码在整数倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内，记录非空脉冲响应出现的时序位置，通过序号转码生成随机数序列，通过定长采样或通过非定长采样实现时序编码。
28.在一些实施例中，定长采样方案是指在固定不变的、整数倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数。
29.在一些实施例中，非定长采样方案是指在不固定的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数。
30.在一些实施例中，随机数生成即通过多路弱相干脉冲序列和多通道单光子探测实现。
31.在一些实施例中，多路弱相干脉冲序列实现方法包括但不限于：多台脉冲激光器和多个可调谐衰减器独立产生多路弱相干脉冲序列、非线性光频梳经波分复用系统分至多路并通过多个可调谐衰减器产生弱相干脉冲序列、多波长单光子光源经波分复用系统产生多路单光子序列。
32.在一些实施例中，相关光学系统可通过自由空间光路和全光纤光路实现，可通过芯片集成光路实现，芯片材料包括但不限于高折射率石英、晶体硅、载氢非晶硅、氮化硅、铝镓砷、硫系玻璃、碳化硅、铌酸锂等。
33.本发明提供一种实现基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法的系统，包括：
34.弱相干脉冲产生与探测单元，用于通过激光脉冲序列、可调谐衰减器、单光子探测器、时域分析仪实现弱相干脉冲产生与探测；
35.弱相干脉冲序列生成单元，用于通过衰减激光脉冲序列生成单脉冲平均光子数为0.5的弱相干脉冲序列；
36.时序编码随机数生成单元，用于通过时序位置记录和二进制转码实现时序编码随机数生成；
37.高速随机数序列生成单元，用于利用单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲响应，定时采样记录非空脉冲时间序号并通过二进制转码生成高速随机数序列。
38.如图1所示，提供了一种弱相干脉冲时序编码随机数生成器的实施例，脉冲激光器按特定重复频率输出激光脉冲；
39.激光脉冲序列平均功率由可调谐滤波器降至单脉冲平均光子数为0.5，此时，空脉冲和非空脉冲平均占比均为50％；通过单光子探测器(重复频率须高于弱相干脉冲序列)可探测响应事件(非空脉冲)出现的时序位置，经过时序编码生成随机数序列。
40.在该实施例中，时序编码包括定长采样方案和非定长采样方案。定长采样方案是指在固定不变的、整数倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内，以响应时间出现的时序位置生成随机数；采样时间与弱相干脉冲序列周期相同时，图1生成的随机数序列共有16位，即1010011011001001；采样时间8倍于弱相干脉冲序列周期时，图1中第一采样时间内响应(十进制)时序编号为0、2、5、6；第二采样时间内响应(十进制)时序编号为0、1、4、7，两个采样时间内响应时序编号可转换为24位二进制随机数，即000010101110000001100111。
41.在该实施例中，非定长采样方案类似于定长采样方案，但采样时间不固定：如图1所示，分别在3倍、6倍、5倍、2倍于弱相干脉冲序列周期的采样时间内探测，响应时序编号分别为0、2(第一时间窗)、2、3、6(第二时间窗)、1、4(第三时间窗)、1(第四时间窗)，按照三位二进制转码可得随机数序列为000010010011110001100001。
42.在该实施例中，当单脉冲平均光子数为0.5且采样时间等于弱相干脉冲序列周期时，随机数序列的真随机属性最佳；增加单脉冲平均光子数或改变采样时间(进行随机数扩码)后，随机数生成速度有所提升但会伴随真随机属性退化。
43.本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
44.本发明提供一种基于弱相干脉冲时序编码随机数生成方法的实施例，包括：
45.s101、生成弱相干脉冲序列，可通过衰减激光脉冲序列平均功率获得，也可通过电泵浦/光泵浦量子点或金刚石色心缺陷或二阶非线性晶体/周期极化波导自发频率下转换效应或光纤/三阶非线性波导自发四波混频效应实现(此时为性能更优的单光子序列)，单脉冲平均光子数须为0.5；
46.s102、利用单光子探测器探测非空脉冲的时序位置。
47.s103、非空脉冲时序编码获得随机数序列，既可直接将非空脉冲和空脉冲按照二进制原则编译成随机数序列，也可在定长或非定长采样时间内根据非空脉冲时序位置通过进制转换扩码生成随机数序列。
48.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
49.1、本发明中的随机数生成器结构简单、易于实现，实现生成速率超过106/s(单光子探测器重复频率)的近理想真随机数序列，满足安全通信、机器学习、随机算法等应用需求，克服了传统基于机器运行环境硬件噪声的随机数生成器面临的生成速率较低、稳定性较差等实用问题；
50.2、脉冲激光器只需具备较高重复频率激光脉冲的稳定输出能力即可，对输出波长、输出功率、光束质量、脉冲宽度没有过高要求，对弱相干脉冲中单光子态光子比例也无硬性要求；
51.3、本发明所述随机数生成器易于扩展、易于集成，可在单一芯片集成多台脉冲激光器、可调谐衰减器和单光子探测器，实现生成多路随机数序列，多路弱相干脉冲序列也可由多波长单光子光源&波分复用系统、非线性光频梳&波分复用系统&可调谐衰减器等多种方案生成。
52.4、可通过变换采样方案实现随机数扩码，当采样时间2n倍于弱相干脉冲序列周期(或在1～2n倍之间随机选择)时，平均随机数序列将为弱相干脉冲序列重复频率的n/2倍。
53.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
54.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
55.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
56.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
57.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
58.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
59.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
60.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
61.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
62.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
64.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。