基于超宽带激光相位混沌的高速物理随机数实时产生研究

Random numbers are critical for the information security, which is related to national security, economic stability, trade secrets, personal privacy, and many other aspects. Utilizing complex algorithms can generate fast pseudo-random numbers, but they can not ensure completely secure communications；The available physical random number generators have reached a real-time rate at the level of Gbps, but there is still a significant gap from the current 40 Gbps communication transmission rate..This project aims to explore the physical mechanism and related control technology why the laser phase chaos exhibits a noise-like flat spectrum characteristics and develop a new method for generating ultra-wide bandwidth chaotic signal with a high 3-dB bandwidth (more than 40 GHz) and no any oscillation information such as delayed feedback oscillation and relaxation oscillation. Further, an online photonic scheme for ultra-fast physical random number extraction will be explored by combining an optical sampling with a balanced-detection based quantization so that physical random numbers can be produced with a single channel rate above 40 Gbps..The achievement of this project will solve the insufficient bandwidth problem of the entropy source confronted by the current real-time physical random number generation, can meet the security requirements of the current large capacity secure communication, and promote the development of the information security and optical signal processing.

随机数是信息安全的重要基石，关系到国家安全、经济稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。采用复杂算法可产生快速伪随机数，但无法保证通信绝对安全；当前物理随机数产生技术实时速率已达Gbps量级，但仍与当前40Gbps通信传输速率之间存在着显著差距。.本项目旨在探明激光相位混沌呈现类噪声平坦频谱特性的物理机制和相关调控技术，发展出一种兼具高带宽（3-dB带宽40GHz以上）和无特征振荡信息（延迟反馈振荡、弛豫振荡）的超宽带混沌信号产生新方法；进而，结合光采样和平衡探测量化技术，探索出一套适用于超高速物理随机数的在线提取方案，实现单信道速率40Gbps以上的物理随机数实时产生。.本项目的实现，将解决当前物理随机数实时产生面临的物理熵源有效带宽不足问题，可满足当前大容量保密通信的安全需求，促进信息安全及光信号处理等相关学科的发展。

随机数是信息安全的重要基石，关系到国家安全、经济稳定、商业机密、个人隐私等众多方面。采用复杂算法可产生快速伪随机数，但无法保证通信绝对安全；当前物理随机数产生技术实时速率已达Gbps量级，但仍与当前40Gbps通信传输速率之间存在着显著距。.本项目基于激光相位混沌呈现类噪声平坦频谱特性的物理机制，发展出一种兼具高带宽（3dB带宽40GHz以上）和无特征振荡信息（延迟反馈振荡、弛豫振荡）的超宽带混沌信号产生新方法；进而，结合光采样和平衡探测量化技术，探索出一套适用于超高速物理随机数的在线提取方案，实现单信道速率40Gbps以上的物理随机数实时产生。. 围绕上述关键技术，本项目研究了九种不同的混沌激光产生的方法，在增强混沌激光的带宽的同时（3dB带宽最高可达50GHz），实现了对混沌激光时延特征的有效抑制；提出并实现了两种不同机制的全光采样技术；提出并研究了四种面向高速物理随机数产生的光电/全光量化方案；利用多路/多位ADC实现了最高320Gbps的物理随机数产生；建立了布朗运动数学分析模型，准确定位了混沌激光熵源与随机数之间的内在关联性；此外，还将随机数序列作为随机掩膜mask应用于单节点光子储备池神经网络，成功完成了调制格式识别、手写数字识别、人体动作识别、混沌时序预测以及时延特征提取等任务。. 项目执行过程中，取得的主要成果有：获山西省高等学校优秀成果奖（科学技术）一等奖1项、山西省技术发明二等奖1项；发表期刊论文19篇（其中SCI收录17篇）、会议论文9篇；授权国家发明专利22项、公开国家发明专利16项；参加国内及国际学术会议30人次；建立了随机数开放性网络供应平台（http://www.random-number.net），累计为国内外提供优质物理随机数979Gbits。此外，在本项目的资助下，先后培养博士3名、硕士10名；项目组负责人破格升至教授且荣获“山西省高等学校优秀青年学术带头人”称号，项目组成员3人升至副教授。. 本项目的实现，将解决当前物理随机数实时产生面临的物理熵源有效带宽不足问题，可满足当前大容量保密通信的安全需求，促进信息安全及光信号处理等相关学科的发展。