等时间间隔内光子数奇偶随机性的光量子随机源

提出一种基于等时间间隔内光子数奇偶随机性光量子随机源.将连续波激光二极管发射的光衰减成离散的单光子序列,利用雪崩光电二极管单光子探测模块来探测光子,通过测量等时间内探测到光子数的奇偶性来提取随机位.研制出了基于现场可编程门阵列的随机位提取电路,测试和分析了时间间隔大小和单光子计数模块的性能参量对所设计随机源提取随机数性能的影响.根据系统平均计数率自动设置时间间隔大小,实现了偏差小、速度快的随机位产生器.所设计随机源工作在计数率为20 Mcps,时间间隔设置为0.5μs时,可获得2 Mbit/s的随机位产生速率.运用随机性检测包ENT和STS对所获得的随机位序列进行测试,表明序列的随机性满足真随机数标准,不需要后续处理.     

基于光量子的真随机源

介绍基于单光子的量子随机性产生二元真随机序列的实验以及所采用的数学处理方法.实验利用单光子探测器,较高速的信号处理电路和计算机数据采集系统,接收记录随机选择反射或折射路径通过50/50分束器的光子,从而获得原始的二元随机序列.用Huffman编码方法把原始数据压缩为符合密码学要求的真随机序列.随机序列采集的速率理论上可达200kbit/s. 关键词： 真随机数源 单光子 光子束器 Huffman编码及数据压缩     

基于光子间隙随机分布的真随机数源

提出了利用模数转换器提高真随机数源速率的方案, 该方案基于衰减脉冲激光光子间隙随机分布, 可使随机数的产生速率提高十几倍.实验中将时间幅度转换仪与16位模数转换器相结合, 产生的各比特位随机数序列顺利通过了国际通用的随机数检测程序统计测试标准, 该方案实验装置简单, 增强了系统的抗干扰能力. 关键词： 衰减式单光子源 模数转换 延时符合 随机数检测     

光量子随机数发生器

设计制作了基于单光子量子随机性的二进制随机数发生器,通过50/50光分束器的光子流被其后的单光子探测器记录下光子路径,经高速电路和计算机数据采集系统转换为二进制随机数流,目前实验中随机数采集速率达100 Kbit/s,本文采用延迟符合计数法来克服探测器暗计数的影响.使暗计数对随机数序列的影响下降了2到3个数量级,最后应用的三种随机性测试表明所采数据随机性良好.     

基于单光子探测及脉冲位置调制的激光通信关键技术研究

为了实现高灵敏度的空间激光通信,并提高传输信道的抗干扰能力,将单光子探测技术和脉冲位置调制技术相结合,采用门控电路与反馈淬灭电路相结合的方式淬灭单光子探测器雪崩,设计了插入帧头法用于脉冲位置调制解调。用现场可编程门阵列进行了脉冲位置调制解调过程的仿真,验证了插入帧头法的有效性与可行性。在此基础上搭建了1 550 nm的脉冲位置调制激光通信实验,同时测试了单光子探测器在不同参数下的性能。结果表明,当探测效率为25%,触发延时为8.00 ns,门宽为5.0 ns,死时间为0.1μs时,单光子探测器性能最佳。最后测试了不同调制速率下单光子探测器的探测灵敏度,结果表明,当通信码速率为1 Mbps时,通信灵敏度为-51.8 dBm;当通信码速率为4 Mbps时,通信灵敏度为-41.0 dBm,实现了高灵敏度的空间激光通信。     

激光脉冲强度对于盖革模式单光子探测测距精度影响的理论研究

在单光子脉冲测距系统中,由于光子到达时间的随机性,使探测到的目标距离具有一定的不确定性,因而单光子脉冲测距系统的测距精度受到一定的限制。基于回波光子与光电子的统计特性,研究了单光子探测器在脉冲测距系统中的脉冲强度,脉冲宽度等参数对系统测距精度的影响。针对常见的回波波形,得到了测距精度与回波脉冲强度及宽度的相互关系式。理论分析结果表明回波激光脉冲强度越高,脉冲宽度越窄,所获得的距离精度越高。     

基于标准探测器的硅单光子雪崩探测器探测效率测量

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置。首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2)。该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量。     

基于光电双开关的单光子同步探测

提出了一种基于光电双开关进行同步测量单光子的方法.这种测量方法能够有效抑制背景光以及由背景光引起的后脉冲和死时间对单光子测量的影响,有效地减少了单光子探测中的误计数,改善了单光子测量的信噪比.同时,避免了单光子探测器通常工作在门控电压方式下产生自发光子辐射的缺点.     

偏振光量子随机源

报道了一种基于偏振光量子的随机效应产生的随机源，这种方法利用了单个偏振光子在偏振分束镜表现出来的量子随机性.用同步符合单光子检测技术，对衰减的偏振单光子源在偏振分束镜表现的随机性进行检测，利用计算机和数据采集卡，获得了二元随机码.利用国际通用的随机数检测程序(ENT)对直接获得的数据进行随机性分析，结果完全满足真随机数的标准.     

利用混沌激光多位量化实时产生14 Gb/s的物理随机数

提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源,通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化,生成6位有效位的二进制随机比特,然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理,获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数

提出将正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSEL)在优化条件下输出的多路平均功率可比拟、延时特征(TDS)得到有效抑制的混沌信号作为混沌熵源,经8位模数转换器(ADC)量化和最低有效位(m-LSB)后续处理获取多路物理随机数的方案,并研究了系统参量对最终获取的比特序列随机性的影响.首先,基于VCSEL的自旋反转模型分析耦合强度和频率失谐对两个正交互耦合1550 nm-VCSEL输出动力学的影响,初步确定利用该系统产生四路平均功率可比拟、TDS得到抑制的混沌信号所需的耦合强度和频率失谐优化范围;在此基础上,选择一个耦合强度值,利用处于优化范围内的不同频率失谐下获取的四路混沌信号作为熵源,经8位ADC量化和m-LSB后续处理得到最终的比特序列;最后,采用NIST Special Publication800-22统计测试套件对获取的最终比特序列的随机性能进行测试,确定了同时获取四路高质量随机数所需的参数范围.     

2.87-Gb/s random bit generation based on bandwidth-enhanced chaotic laser

We experimentally demonstrate a fast random bit generator (RBG) based on bandwidth-enhanced chaotic laser from an optical feedback laser diode with optical injection.The bandwidth-enhanced chaotic signal is sampled and converted to a binary sequence in real time without the need of programming for off-line processing.Multi-rate bit sequences,with the fastest rate of up to 2.87 Gb/s,are obtained with verified randomness.     

Semiconductor Emitters in Entropy Sources for Quantum Random Number Generation

Random number generation (RNG) is needed for a myriad of applications ranging from secure communication encryption to numerical simulations to sports and games. However, generating truly random numbers can be elusive. Pseudorandom bit generation using computer algorithms provides a high random bit generation rate. Nevertheless, the reliance on predefined algorithms makes it deterministic and predictable once initial conditions are known. Relying on physical phenomena (such as measuring electrical noise or even rolling dice) can achieve a less predictable sequence of bits. Furthermore, if the physical phenomena originate from quantum effects, they can be truly random and completely unpredictable due to quantum indeterminacy. Traditionally, physical RNG is significantly slower than pseudorandom techniques. To meet the demand for high-speed RNG with perfect unpredictability, semiconductor light sources are adopted as parts of the sources of randomness, i.e., entropy sources, in quantum RNG (QRNG) systems. The high speed of their noise, the high efficiency, and the small scale of these devices make them ideal for chip-scale QRNG. Here, the applications and recent advances of QRNG are reviewed using semiconductor emitters. Finally, the performance of these emitters is compared and discuss their potential in future technologies.     

基于大气湍流光闪烁的真随机数提取研究

针对真随机数生成问题，提出基于大气湍流光闪烁图像的真随机数提取方法。利用相机获取波长为532 nm的激光经过大气湍流传输后的光斑图像，根据其闪烁特性，分别采用固定间隔选取和多步长选取的方式选取光斑图像，固定间隔选择50帧，多步长选择30帧、70帧和100帧，得到的光斑图像相关性很弱，相关系数均小于0.3，由于湍流效应的影响，图像中的像素点发生无规则变化，通过对像素点作组合计算以提取随机序列；通过NIST(national institute of science and technology)随机性测试的方法，对提取的随机序列进行测试。实验结果表明:固定间隔选取的随机序列随机效果一般，测试结果存在P值小于0.01的情况，而多步长选取测试的P值均大于0.01，可以通过随机性测试。     

Single-photon detection and its applications

A single-photon detector is an extremely sensitive device capable of registering photons,offering essential technical support for optics quantum information applications.We review herein our recent experimental progress in the development and application of single-photon detection techniques.Techniques based on advanced self-differencing,low-pass filtering,frequency up-conversion and photon-number-resolving are introduced for attaining high-speed,high-efficiency,low-noise single-photon detection at infrared wavelengths.The advantages of high-speed single-photon detection are discussed in some applications,such as the laser ranging and quantum key distribution.The photon-number-resolving detection is shown to support efficient quantum random number generation.     

量子密码通信中量子比特率理论分析

在量子密钥分配中,量子比特率是一个重要的系统参数。通过引入测量因子和筛选因子,建立了基于理想单光子源和泊松分布单光子源的量子比特率理论模型,给出了量子比特率的表达式,并对两种单光子源进行了比较分析。结果表明,当平均光子数大于1时,泊松分布单光子源能被优化。在发射机脉冲重复率一定的条件下,采用泊松分布单光子源无法达到理想单光子源的量子比特率,这是为保密通信所必须付出的代价。     

Passive decoy-state quantum key distribution for the weak coherent photon source with finite-length key

Passive decoy-state quantum key distribution systems, proven to be more desirable than active ones in some scenarios,also have the problem of device imperfections like finite-length keys. In this paper, based on the WCP source which can be used for the passive decoy-state method, we obtain the expressions of single-photon error rates, single-photon counts, and phase error rates. According to the information of smooth min-entropy, we calculate the key generation rate under the condition of finite-length key. Key generation rates with different numbers of pulses are compared by numerical simulations. From the results, it can be seen that the passive decoy-state method can have good results if the total number of pulses reaches 1010. We also simulate the passive decoy-state method with different probabilities of choosing a pulse for parameter estimation when the number of pulses is fixed.     

A hybrid-type quantum random number generator

This paper proposes a well-performing hybrid-type truly quantum random number generator based on the time interval between two independent single-photon detection signals, which is practical and intuitive, and generates the initial random number sources from a combination of multiple existing random number sources. A time-to-amplitude converter and multichannel analyzer are used for qualitative analysis to demonstrate that each and every step is random. Furthermore, a carefully designed data acquisition system is used to obtain a high-quality random sequence. Our scheme is simple and proves that the random number bit rate can be dramatically increased to satisfy practical requirements.     

基于伪态协议的量子密钥分配系统研究

采用包含两个伪态和一个信号态的双伪态协议分析了量子密钥分配系统的性能,比较了双伪态（真空态—弱伪态）和单伪态协议条件下密钥生成率与通信距离的关系,分析了信号态的强度、量子比特误码率、单光子的增益和单光子的误码率对系统密钥生成率的影响,得出密钥生成率的最优化条件,为实现实用安全的量子密钥分配系统奠定理论基础. 关键词： 伪态协议 量子密钥生成率 量子比特误码率