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).     

基于光子间隙随机分布的任意进制真随机数源

根据激光光子数的泊松分布特征，通过衰减脉冲激光的光强度使衰减后平均每十个脉冲含有一个光子，该光子在十个脉冲中位置的分布是随机的，也即任意二十个脉冲中的两个光子的间隙时间是随机的。基于该随机间隙时间可产生真随机数序列，不仅可以产生二进制随机数，也可产生多进制的。实验上分别制备了二进制和十进制真随机数序列；对数据量为100M的样本进行通用的ENT程序随机性检验，检测结果很好。此外，该实验方案具有抗干扰能力强、便于集成、随机数产生速率容易提高等优点，可广泛应用于保密通信、身份验证、Monte Carlo计算、彩票游戏等领域。     

基于GaAs/Al_(0.45)Ga_(0.55)As超晶格芯片自发混沌振荡的8 Gb/s物理真随机数实现

物理真随机数发生器对密码学和保密通信至关重要.现有随机数发生器,或者复杂庞大,或者受限于器件带宽,不能很好地满足现代高速通信系统的需要.本文提出了一种基于超晶格(superlattices,SLs)芯片的全固态实时高速物理真随机数发生器.通过选取合适直流偏置电压对SLs芯片进行激发,从而产生高频混沌振荡信号作为物理熵源,利用采样频率为2 GHz的多位模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)进行量化,生成12位的二进制随机比特,然后使用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)抽取最低4位为有效位并进行比特反转以改善其随机性,最终获得了实时速率为8 Gbit/s的随机数.经验证,该发生器产生的随机数通过了随机数行业标准(NIST SP 800-22)的测试,具备优良的统计特性,有望小型化集成到高速通信设备之上.     

基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速产生技术研究

提出一种基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速提取方法.该方法在光域中利用锁模激光器作为光时钟,通过太赫兹光非对称解复用器完成对混沌激光的超低抖动光采样,无需射频时钟及后续逻辑处理过程的参与,经多位比较量化可直接产生优质物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型的混沌激光产生装置作为熵源对所提方法进行了原理性实验论证.结果显示,光反馈半导体激光器产生的6 GHz混沌激光经5 GSa/s实时、低抖动光采样后,利用并行输出型多位比较器对所获混沌脉冲序列进行量化处理,选取最低有效位4位,可直接产生速率达20 Gb/s的随机数.该随机数速率由选取的量化结果最低有效位数和光采样率联合决定,而当前光采样率受限于所用混沌激光熵源的带宽.本文工作可为硬件上实现更高速物理随机数的实时、在线产生提供有力的技术和理论支撑.     

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.     

基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源

提出了一种基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源。利用衰减成单光子态的光强恒定光源和一个单光子探测器产生单光子随机脉冲,通过连续比较单光子随机脉冲序列中相邻两个脉冲的时间间隔来提取随机位。通过设计高速响应的微通道板单光子探测器和基于现场可编程门阵列(FPGA)的随机位提取电路,获得了超过10Mbit/s的随机位产生速率。通过采用恒比定时和对计数时钟倍频的方法提高时间间隔的测量精度,从而减小随机位序列的相关系数。当光量子随机源的随机位产生速率在10kbit/s以下时,所获得的二进制随机位序列的相关系数小于0.001。运用随机性测试程序ENT和DIEHARD对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明序列的随机性非常好且不需要后续处理,完全满足真随机数的标准。     

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.     

基于激光器阵列后处理的混沌熵源获取高品质随机数

本文提出采用可集成的激光器阵列后处理光反馈半导体激光器的输出,进而获得无时延特征的优质混沌熵源,进一步获取高速高品质随机数序列.方案中采用常规的8位模数转换采样量化和多位最低有效位异或提取处理,采用国际公认的随机数行业测试标准(NIST SP 800-22)来检验产生的序列.结果表明,通过激光器阵列后处理的混沌熵源所获取的随机数序列具有均匀的分布特性,散点图无明显图案,可以成功通过NIST SP 800-22的全部测试.另外,基于激光器阵列的可扩展性,本方案可以拓展为可实现同时产生多路并行的高速高品质随机数发生器.     

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.     

硬件加密的扩频通信方案

提出了一个利用混沌激光源产生1 Gbit/s的随机序列作为扩频码的方案.理论分析表明,该随机序列克服了伪随机序列的周期性,在扩大扩频码容量的同时实现了扩频码可变,提高了通信安全性. 利用Simulink软件对该扩频系统进行仿真.结果表明,当信息速率一定时,扩频增益越大,误码率越低,与理论结果相符.与传统的扩频系统相比,该方案在提高系统抗干扰能力的同时也增强了保密性. 关键词： 扩频通信 随机序列 混沌激光源     

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.     

12 bit 30 MSPS逐次比较型ADC的测试

针对物理实验读出的需求设计了一款低功耗12 bit 30 MSPS逐次比较型模数变换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）芯片,为评估其性能指标参数,需进行系统的测试。在本研究工作中构建了测试系统,然后按照IEEE标准进行了系统的测试和分析。测试结果表明,输入信号在基带范围内ADC有效位（Effective Number Of Bit,ENOB）约为9 bit,达到了本版本芯片的设计指标。同时,综合分析静态性能与动态性能测试结果,可以通过优化逐次比较型ADC中电容阵列电容失配参数,进一步提升ADC的非线性指标,为下一版芯片的改进设计提供了参考依据。Aiming at the requirement of readout electronics in physics experiments, a 12 bit 30 MSPS successiveapproximation-register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) with low power consumption has been designed. To evaluate the performance of this ASIC, we conducted a series of tests. We set up a test system, and we tested the ADC according to IEEE std 1241-2010. The test results indicate that the effective number of bit (ENOB) of the ADC is around 9 bits when the input signal is in the first Nyquist zone, which has met the design requirements. According to the results of dynamic and static tests of this ADC, we found that the non-linearity performance of this ASIC can be further enhanced by improving the mismatching among the capacitor array, and this provides important information for the design of the second version of this ADC.     

Physical generation of random numbers using an asymmetrical Boolean network

Autonomous Boolean networks (ABNs) have been successfully applied to the generation of random number due to their complex nonlinear dynamics and convenient on-chip integration. Most of the ABNs used for random number generators show a symmetric topology, despite their oscillations dependent on the inconsistency of time delays along links. To address this issue, we suggest an asymmetrical autonomous Boolean network (aABN) and show numerically that it provides large amplitude oscillations by using equal time delays along links and the same logical gates. Experimental results show that the chaotic features of aABN are comparable to those of symmetric ABNs despite their being made of fewer nodes. Finally, we put forward a random number generator based on aABN and show that it generates the random numbers passing the NIST test suite at 100 Mbits/s. The unpredictability of the random numbers is analyzed by restarting the random number generator repeatedly. The aABN may replace symmetrical ABNs in many applications using fewer nodes and, in turn, reducing power consumption.     

Two bit all-optical analog-to-digital converter based on nonlinear Kerr effect in 2D photonic crystals

We have demonstrated the performance of a novel design for a single wavelength 2-bit all-optical analog-to-digital converter (ADC). This converter consists of two high efficient channel drop filters with a coupled cavity-based wavelength selective reflector in a 2D photonic crystal with total length of 15.87 μm. The A/D conversion is achieved by using nonlinear Kerr effect in the cavities. The output ports switch to state ‘1’ at different input power levels to generate unique states preferred for an ADC. This conversion is simulated by the finite difference time domain (FDTD) method for 5 different power levels. The proposed structure can function as a two-bit ADC with a 60 mW/μm input pulse and its maximum sampling rate is found to be ~ 45 GS/s.     

随机脉冲序列的ns级时间检测及峰值检测

 利用1 GHz超高速A/D转换单元和现场可编程逻辑门阵列高速处理单元,实现了一种对快反应随机事件转换得到的快逻辑窄脉冲序列进行在线检测的系统。设计了PeakTDC滞回峰值检测算法以求取脉冲的峰值位置,并以峰值位置标定序列中的脉冲时间,进而形成脉冲序列的时间编码及峰值幅度。用实际生成的脉冲序列对系统进行了验证测试,脉冲检测的时间间隔误差为1 ns,峰值幅度误差为2个量化单位,脉冲对的分辨时间为10 ns。算法理论和实验结果表明,系统可以获得在有限长时间仓轴上的随机脉冲序列的ns级时间数字转换,同时可以获得脉冲的峰值。     

基于互注入半导体激光器的混沌输出产生17.5 Gbit/s随机码

采用两个借助光纤连接的相互注入半导体激光器,实验获取了10 GHz超宽带混沌种子信号.通过8-bit模数转换器将混沌信号转换为二进制数据流,并进行进一步的逻辑异或处理和舍弃最高有效位操作,最终获得了能顺利通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standard and Technology,简记为NIST)800-22标准测试以及Diehard测试,速率达17.5 Gbit/s的高速随机码. 关键词： 随机码 混沌激光 互注入半导体激光器