高速全光真随机数发生器研制

Random numbers have a wide range of applications, such as scientific computation, stochastic modeling and secure communications. Utilizing computer can generate fast random numbers, but they are not completely random. The existing optoelectronic techniques can produce true random numbers. But their rates are limited by the bandwidth bottleneck of electronic components and thus not suitable for modern high-speed communications. .This project combines bandwidth-enhanced chaotic lasers with all-optical signal processing techniques to develop a high-speed all-optical true random number generator; the chaotic optical signal emitted by the chaotic laser based on ring optical injection technique is translated into all-optical true random number sequence via an ultra-fast all-optical sampler and all-optical quantizer. In addition, considering the reliability and stability of this product, we will selectively construct another random numbers produce line with a symmetrical and independent structure. Through an all-optical XOR gate, the randomness of the random numbers will be optimized, and thus the random numbers can not only pass randomness tests but also be stably used in engineering practice. .This developed product does all signal processing only in the optical domain and can overcome the limitation of electronic bottleneck. Moreover, the all-optical random numbers can be compatible with the optical signal transmitted in optical communication networks directly. The realization of this project will promote the development of high-speed secure communications and all-optical signal processing techniques.

随机数在科学计算、统计建模、信息安全等方面有着广泛而重要的应用。用计算机可产生快速的随机数，但不满足完全随机的要求；现有光电技术生成的真随机数受电子器件带宽瓶颈的限制，无法适应现代高速通信的安全需要。.本项目将带宽增强型混沌激光熵源与现有全光信号处理技术相结合，研制高速的全光真随机数发生器；基于环形光注入技术构建宽带、无退化的混沌激光熵源，利用超高速的全光采样器及量化器完成对混沌激光信号的全光模数转换，生成全光随机码序列；另外，考虑到产品性能的可靠性和稳定性，将选择性构建另一条结构对称、独立的随机码产生线路；通过对两路随机码序列进行全光逻辑异或处理，进一步优化随机性，确保其不仅成功通过随机性检测，并能稳定应用于工程实践。.本项目研发的样机，其信号处理均在光域中进行，突破了电子瓶颈的限制，更可与光通信网络中的光信号直接兼容。本项目的实现必将促进高速保密通信及全光信号处理等相关学科的发展。

随机数在科学计算、信息安全等领域有着广泛而重要的应用。利用算法可产生快速的伪随机数，但不满足完全随机的要求；现有真随机数发生器受电子器件带宽的限制，无法适应现代高速通信的安全需要。.本项目以混沌激光作为宽带光子熵源，结合超快光采样及量化技术，成功研制出系列超高速物理随机数发生器样机，满足项目预定各项技术指标，码率最高可达10 Gbps。系列样机包括：0.01 - 4.5 Gbps码率连续可调随机数发生器样机、5 - 10 Gbps码率可调谐全光随机数发生器样机和两款小型化、低功耗物理随机数模块（典型码率可达3 Gbps）。.围绕涉及的关键技术问题，提出并实现了八种产生宽带、无退化光/电混沌信号的技术方案，利用太赫兹光非对称解复用器构建了高保真、超快全光采样门并详细分析了关键技术参数，提出并研究了六种面向超快物理随机数产生的光电/全光量化方案，进行了三款随机特性在线分析及评估软件的设计及开发，建立了布朗运动数学分析模型以准确定位激光混沌与随机性之间的内在关联性，并将研究成果初步应用于了图像及视频等信息加密实践中。.项目执行过程中，取得的主要成果有：获教育部技术发明奖二等奖1项、山西省高等学校技术发明奖二等奖1项、山西省自然科学奖二等奖1项、山西省高等学校自然科学奖一等奖1项、第十八届山西省优秀学术论文一等奖1项、二等奖2项；发表期刊论文38篇（其中被SCI收录28篇、EI收录26篇）、会议论文2篇；授权国家发明专利18项、授权实用新型专利5项、获软件著作权15项，公开国家发明专利21项、实用新型专利1项；参加国际学术会议26人次、国内会议46人次（其中，口头报告37人次、特邀报告6人次），举办国际会议1次。.本项目研发的具有自主知识产权的新一代超高速全光真随机数发生器样机，突破了现有随机数生成技术的种种瓶颈，确立我国在密钥生成技术领域的领先地位，可为密码学、通信及信息安全等领域的前沿基础研究和尖端科技提供硬件和技术支撑。