本文選題：量子隨機數(shù)　切入點：后處理　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：本文針對包括量子密鑰分發(fā)等現(xiàn)代安全通信協(xié)議在內(nèi)的科技和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量、高產(chǎn)生速度的隨機數(shù)的需求,研制了小型集成化的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器樣機。所研制發(fā)生器的量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)生速度達到了 3.2 Gbps,并能通過NIST隨機性檢驗,符合真隨機數(shù)的基本特征。本文對不同的隨機數(shù)發(fā)生方案進行了比較,最終選擇了基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生方案,同時通過建模的方法對這種方案的可行性進行了理論分析,并以實驗的方法確定了系統(tǒng)的最優(yōu)工作點。在基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生方案中,量子相位波動作為量子信號源,其隨機性來源于激光的自發(fā)輻射。干涉儀可以將不可直接測量的相位波動轉(zhuǎn)換為可測量的光強波動,然后通過高速光電探測器轉(zhuǎn)換為隨機波動的電信號,進而進行采集量化獲得原始的量子隨機數(shù)。除此之外,本文還設(shè)計了用于測試目的的內(nèi)存條模塊以及光纖、千兆位以太網(wǎng)、USB 2.0等數(shù)據(jù)傳輸接口以滿足不同的應(yīng)用需求,其中通過光纖傳輸通道量子隨機數(shù)的有效輸出速率為3.2 Gbps。本文在研制基于激光相位波動的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器過程中,針對安全性經(jīng)信息論證明的后處理對原始隨機數(shù)處理速度慢的問題,提出了 一種在FPGA中實現(xiàn)的高速后處理算法,實時后處理速度達到了 3.36Gbps,解決了技術(shù)瓶頸。受到經(jīng)典噪聲和實際器件的非理想性等因素的不利影響,原始隨機數(shù)往往并非理想的真隨機數(shù),需要經(jīng)過后處理才能獲得符合真隨機數(shù)特征的量子隨機數(shù)。而現(xiàn)有的安全性經(jīng)信息論證明的后處理過程計算量大,導(dǎo)致處理速度緩慢,所以對原始隨機數(shù)一般只能進行離線的而非高速實時的后處理,這嚴重限制了量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)生速度。針對這一問題,我們通過認真研究基于大型Toeplitz矩陣后處理的計算特點,提出了一種基于矩陣分解的并行算法,顯著降低了該算法所需的硬件邏輯資源,成功地在FPGA中實現(xiàn)了基于大型Toeplitz矩陣的高速后處理運算,實時后處理速度達到了 3.36 Gbps。我們對經(jīng)過后處理的量子隨機數(shù)進行了統(tǒng)計均勻性、自相關(guān)性、NIST檢驗等隨機性測試,測試結(jié)果顯示量子隨機數(shù)符合真隨機數(shù)的基本特征,說明后處理算法有效。這種在FPGA中并行實現(xiàn)的高速后處理算法解決了后處理速度與原始隨機數(shù)發(fā)生速度嚴重不匹配問題,使基于激光相位波動的量子隨機數(shù)發(fā)生器能夠真正產(chǎn)生高速的量子隨機數(shù)。本文的主要創(chuàng)新點和創(chuàng)新成果如下:1)針對包括量子密鑰分發(fā)等現(xiàn)代安全通信協(xié)議在內(nèi)的科技和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量、高產(chǎn)生速度的隨機數(shù)的需求,成功研制了小型集成化的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器樣機。所研制發(fā)生器的量子隨機數(shù)的實時產(chǎn)生速度達到了 3.2 Gbps,并能通過NIST隨機性檢驗,符合真隨機數(shù)的基本特征。2)針對安全性經(jīng)信息論證明的后處理對原始隨機數(shù)處理速度慢的問題,提出了基于矩陣分解的高速后處理算法,顯著降低了該算法所需的邏輯資源,成功地在FPGA中實現(xiàn)了大型Toeplitz矩陣后處理運算,解決了高速隨機數(shù)后處理速度上的技術(shù)瓶頸,并形成了專利技術(shù)。
[Abstract]:This paper includes quantum key distribution and so on high quality modern security communication protocol, science and technology fields, high speed random number generation needs, developed a prototype high-speed quantum random number generator small integrated. The developed quantum random number generator is generated when the speed reaches 3.2 Gbps, and by NIST random testing, the basic characteristics of true random number. In this paper, with a different random number generator are compared, finally chose the solution of quantum random number based on the phase fluctuation of laser, and the theoretical analysis on the feasibility of this scheme through modeling, and experimental methods to determine the optimal work point. Based on quantum random number of laser phase fluctuations occur scheme, quantum phase fluctuations as quantum signal source, the random laser from spontaneous emission. The conversion phase interferometer can not direct measurement for intensity fluctuation can be measured, and then through the high speed photodetector is converted to electrical signals and random fluctuations, were collected to get the quantized quantum random number primitive. In addition, this paper also designed for testing purpose memory module and optical fiber, Gigabit Ethernet, USB 2 data transmission interface to meet different application requirements, which through the effective output rate of fiber transmission channel quantum random number is 3.2 Gbps. in the development of high speed laser based on quantum phase fluctuations of the random number generator in the process, for the safety of information theory that postprocessing of original random number processing speed slow, presents a high-speed processing algorithm in the realization of FPGA, real-time postprocessing speed reached 3.36Gbps, solve the technical bottleneck by classical noise. The adverse effects of non ideal factors such as the sound and the actual device, true random number of original random number is often not ideal, need to go through the postprocessing to obtain quantum random number with true random number features. And the existing security information theory proved by postprocessing process leads to large amount of calculation, slow processing speed, so the original random number is generally only offline instead of high-speed real-time postprocessing, real-time speed which severely limits the quantum random number. To solve this problem, we calculated by carefully studying the characteristics of large Toeplitz matrix based on postprocessing, we propose a parallel algorithm based on matrix decomposition, significantly reduced the hardware logic the resources required by the proposed algorithm, successfully implemented in FPGA high speed large Toeplitz matrix based postprocessing operation, real-time postprocessing speed reached 3.36 Gbps. after the US Quantum random number processing of statistical homogeneity, self correlation, NIST test and random test, the basic feature of quantum random number with true random number test results show that, postprocessing algorithm is effective. The parallel implementation of high-speed FPGA postprocessing algorithm solves the postprocessing speed with the original random number generating speed seriously does not match the problem, make the quantum random number generator laser phase fluctuation can really produce quantum random number based on the high speed. The main innovation and innovative achievements are as follows: 1) to include the high quality quantum key distribution and other modern security communication protocol, science and technology fields, high speed random number generating demand and successfully developed a prototype high-speed quantum random number generator small integrated. The real-time speed reached 3.2 Gbps the development of quantum random number generator, and can Through NIST random testing, the basic characteristics of.2 with the true random number) according to the safety information theory that postprocessing of original random number problem of processing speed, the high speed processing algorithm based on matrix decomposition, the algorithm significantly reduces the logic resources required, successfully implemented in FPGA large Toeplitz matrix postprocessing operations, solve the high-speed random number postprocessing technology bottleneck in speed, and the formation of patent technology.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O413

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本文編號：1687260