一种量子随机数闭环检测设备的制作方法

1.本实用新型涉及量子随机数技术领域，具体而言，涉及一种量子随机数闭环检测设备。


背景技术：

2.量子是不可分割的基本个体,是构成现实事物的微小能量和物质。研究表明,微观粒子的状态具有“内禀随机性”，其随机性是微观粒子固有的特性,可以产生真正意义上的随机数,即“真随机数”。当前，基于量子物理内禀特性产生的量子随机数，被认为是区别于经典随机数的一种真正不可预测的随机性资源，其独特的随机性在以密码学为代表的安全领域被广泛应用，并发挥着举足轻重的作用。
3.目前，量子随机数发生器多是依托于电子元器件组装或集成而成，电子元器件性能会受到自身特性以及不同批次生产工艺差别等因素的影响，因此就需要实时检测量子随机数发生器产生的随机数并调整量子随机数发生器的参数来保证随机数的质量。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本技术提供一种量子随机数闭环检测设备，实时检测量子随机数发生器产生的随机数并根据检测的随机数质量实时调节量子随机数发生器的配置参数以提高随机数的输出质量。其具体方案如下：
5.本技术公开了一种量子随机数闭环检测设备，包括测试电路板、上位机、数据采集模块、参数配置模块和电源；
6.所述测试电路板用于承载和固定量子随机数发生器，所述测试电路板和所述量子随机数发生器电连接；
7.所述数据采集模块分别与所述上位机和所述测试电路板电连接，所述数据采集模块用于实时采集所述量子随机数发生器产生的熵源原始数据和随机序列并将所述熵源原始数据和所述随机序列反馈给所述上位机；
8.所述上位机用于实时接收所述数据采集模块反馈的所述随机序列和所述熵源原始数据并计算获取随机性指标值，同时根据所述随机性指标值向所述参数配置模块发送调节指令或写入指令；
9.所述参数配置模块分别与所述上位机和所述测试电路板电连接，所述参数配置模块用于接收所述上位机发送的调节指令并根据所述调节指令调整所述量子随机数发生器的配置参数并将合格的配置参数写入所述量子随机数发生器；
10.所述电源分别与所述数据采集模块、所述参数配置模块和所述测试电路板电连接，用于对所述数据采集模块、所述参数配置模块和所述测试电路板供电。
11.进一步地，所述测试电路板上设置电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和通讯模块，所述电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和所述通讯模块均与所述量子随机数发生器电连接；所述电源接口连接所述电源，用于给所述量子随机数发生
器供电；所述测试输出第一接口用于输出所述量子随机数发生器产生的熵源原始数据，所述测试输出第二接口用于输出所述量子随机数发生器产生的随机序列；所述通讯模块分别与所述参数配置模块和所述量子随机数发生器电连接，用于将配置参数传输给所述量子随机数发生器。
12.优选地，所述量子随机数发生器通过焊接固定在所述测试电路板上。
13.优选地，所述数据采集模块为fpga芯片。
14.进一步地，所述参数配置模块由信号输入接口、电平转换芯片和信号输出接口组成，所述信号输入接口用于输入所述上位机发送的调节指令，所述调节指令为rs232电平指令信号；所述电平转换芯片用于将所述rs232电平指令信号转换为ttl电平指令信号；所述信号输出接口用于将所述ttl电平指令信号传输给所述量子随机数发生器。
15.优选地，所述电源为数控稳压电源。
16.进一步地，所述量子随机数发生器由依次电连接的熵源芯片驱动电路、熵源芯片、信号放大电路、模数转换器、后处理芯片和随机数输出电路组成，所述模数转换器输出熵源原始数字信号并通过所述数据采集模块传输给所述上位机，所述随机数输出电路输出随机序列并通过所述数据采集模块传输给所述上位机。
17.进一步地，所述通讯模块包括参数调节接口和参数写入接口，所述参数调节接口和所述参数写入接口均与所述量子随机数发生器连接，所述参数调节接口用于将所述参数配置模块根据所述调节指令调整的配置参数传输给所述量子随机数发生器；所述参数写入接口用于将合格的配置参数传输给所述量子随机数发生器。
18.总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
19.本技术提供了一种量子随机数闭环检测设备，包括测试电路板、上位机、数据采集模块、参数配置模块和电源，量子随机数发生器固定在测试电路板上，量子随机数发生器产生熵源原始数据和随机序列，数据采集模块获取熵源原始数据和随机序列并反馈给上位机，上位机接收量子随机数发生器产生的这些信息并进行计算获取随机性指标值然后判断随机性指标值是否达标，若不达标，上位机根据当前随机性指标值向参数配置模块发送调节指令调整量子随机数发生器的配置参数，直至量子随机数发生器输出的熵源原始数据和随机序列对应的随机性指标值达标后结束对当前量子随机数发生器的检测，同时将达标对应的配置参数也即是合格的配置参数写入到量子随机数发生器中，达到了提高量子随机数输出质量的效果。通过本技术设备检测的量子随机数发生器输出的是满足随机性测试标准的随机数，因此消除了不同生产批次的量子随机数发生器的工艺误差对随机数质量的影响。此外，本技术中的检测设备是单独的检测系统，没有集成在量子随机数发生器内部，因此可以在不更改硬件的条件下，可以根据需要在上位机上添加需要检测的指标进行检测，具有更加灵活的检测和调节功能。
附图说明
20.为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术提供的一种量子随机数闭环检测设备的结构示意图；
22.图2为本技术中参数配置模块的结构示意图；
23.图3为本技术实施例中测试电路板的结构示意图；
24.图4为本技术中被检测量子随机数发生器的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是本技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
27.为了便于理解和解释本技术实施例提供的技术方案，下面将先对本技术的背景技术进行说明。
28.当前，基于量子物理内禀特性产生的量子随机数，被认为是区别于经典随机数的一种真正不可预测的随机性资源，其独特的随机性在以密码学为代表的安全领域被广泛应用，并发挥着举足轻重的作用。
29.量子随机数发生器多是依托于电子元器件组装或集成而成，电子元器件性能会受到自身特性以及不同批次生产工艺差别等因素的影响，因此就需要实时检测量子随机数发生器产生的随机数并调整量子随机数发生器的参数来保证随机数的质量。
30.基于此，本技术提供一种量子随机数闭环检测设备，如图1所示，包括测试电路板、上位机、数据采集模块、参数配置模块和电源。测试电路板上固定量子随机数发生器，数据采集模块分别与上位机和测试电路板电连接，参数配置模块分别与上位机和测试电路板电连接，电源对数据采集模块、参数配置模块和测试电路板供电。
31.具体地，测试电路板用于承载和固定量子随机数发生器，测试电路板和量子随机数发生器电连接。在利用该设备对量子随机数发生器进行检测时，量子随机数发生器通过焊接方式固定在测试电路板上，具体地可以直接将量子随机数发生器的引脚通过焊接器焊接在测试电路板上的焊锡上，当完成量子随机数发生器的检测后再对其进行解焊。当然也可以在测试电路板上设置插座，将插座焊接在测试电路板上，在进行检测时，将量子随机数发生器放入插座内，实现与测试电路板的电连接。在对量子随机数发生器进行检测时，量子随机数发生器实时产生熵源原始数据和随机序列。
32.数据采集模块分别与上位机和测试电路板电连接，数据采集模块用于实时采集量子随机数发生器产生的熵源原始数据和随机序列并将熵源原始数据和随机序列反馈给上位机。
33.在本技术中，数据采集模块为fpga芯片，通过usb接口与上位机实现通信连接。fpga芯片具有体积小、功耗低、时钟频率高、可以集成外围电路、配置灵活等特点，因此在本技术中采用fpga芯片作为数据采集模块，以实现对量子随机数发生器输出的熵源原始数据
和随机序列的高速采集。fpga芯片可以采用xilinx公司的virtex-5系列芯片或选用altera公司的cyclone系列芯片。
34.上位机用于实时接收数据采集模块反馈的随机序列和熵源原始数据并计算获取随机性指标值，同时根据随机性指标值向参数配置模块发送调节指令或写入指令。
35.本技术中的上位机为通用计算机，可以为常规使用的笔记本或台式电脑。上位机上安装随机数检测软件，此类型软件一般根据国标gm/t005-2012《随机性检测规范》、国标gm/t005-2021《随机性检测规范》或nist测试标准等开发而成，为常规应用软件，如nist随机数测试软件、ent测试软件、diehard测试软件等。上位机通过usb接口从数据采集模块获取量子随机数发生器输出的熵源原始数据和随机序列，并基于获取的熵源原始数据和随机序列分析计算获取随机性指标值，当随机性指标值低于或高于设置的指标值范围时，说明量子随机数发生器输出的随机数质量不合格，则上位机向参数配置模块发送调节指令；当随机性指标值位于设置的指标值范围内时，则说明量子随机数发生器输出的随机数质量合格，结束对当前量子随机数发生器的检测，同时上位机向参数配置模块发送写入指令，参数配置模块将当前合格的配置参数写入到量子随机数发生器。
36.目前评估量子随机性的指标有最小熵、游程、随机序列的自相关系数等多种指标。在对量子随机数发生器进行检测时，可以选择其中的某几项指标进行测试。在本技术中，为了便于解释和说明，接下来将以最小熵值和随机序列的自相关系数这两个随机性指标值为例进行阐述。
37.参数配置模块分别与上位机和测试电路板电连接，参数配置模块用于接收上位机发送的调节指令并根据调节指令调整量子随机数发生器的配置参数并将合格的配置参数写入量子随机数发生器。在本技术中，量子随机数发生器的配置参数包括熵源芯片驱动电压值、后处理压缩比等参数，通过调整量子随机数发生器的配置参数，提高量子随机数发生器产生的随机数质量。
38.在本技术中，参数配置模块由信号输入接口、电平转换芯片和信号输出接口组成，结构如图2所示。信号输入接口用于输入上位机发送的调节指令，上位机发送的调节指令为rs232电平指令信号，而量子随机数发生器只能识别ttl电平信号吗，因此电平转换芯片用于将rs232电平指令信号转换为ttl电平指令信号。信号输出接口用于将ttl电平指令信号传输给量子随机数发生器。在本技术中，电平转换芯片采用美信公司的max232芯片。
39.本技术中的电源分别与数据采集模块、参数配置模块和测试电路板电连接，用于对数据采集模块、参数配置模块和测试电路板供电。电源可以采用数控稳压电源。数控稳压电源具有灵活的接口，能够多路输出以及显示每一路输出的电流电压值，在实际检测过程中，可以根据需要分别调节每一路输出的电流电压值。
40.在本技术的实施例中，测试电路板上设置电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和通讯模块，如图3所示。电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和通讯模块均与量子随机数发生器电连接。电源接口连接电源，用于给量子随机数发生器供电。量子随机数发生器产生的熵源原始数据和随机序列分别从两个信息通道传输，两个信息通道对应不同的输出接口。测试输出第一接口用于输出量子随机数发生器产生的熵源原始数据，测试输出第二接口用于输出量子随机数发生器产生的随机序列。通讯模块分别与参数配置模块和量子随机数发生器电连接，用于将配置参数传输给量子随机数发生器。更具体
地，通讯模块包括参数调节接口和参数写入接口，参数调节接口和参数写入接口均与量子随机数发生器连接。参数调节接口用于将参数配置模块根据调节指令调整的配置参数传输给量子随机数发生器。参数写入接口用于将合格的配置参数传输给量子随机数发生器。
41.在本技术的实施例中，量子随机数发生器由依次电连接的熵源芯片驱动电路、熵源芯片、信号放大电路、模数转换器、后处理芯片和随机数输出电路组成，如图4所示。被检测的量子随机数发生器为合肥硅臻公司自主研发的量子随机数发生器。模数转换器输出熵源原始数字信号并通过数据采集模块传输给上位机，同样地，随机数输出电路输出随机序列并通过数据采集模块传输给上位机。
42.在对量子随机数发生器进行检测时，具体的工作流程为：首先将待测的量子随机数发生器固定在测试电路板上，对整个设备进行供电，量子随机数发生器产生熵源原始数据和随机序列，数据采集模块获取熵源原始数据和随机序列并反馈给上位机，上位机接收量子随机数发生器产生的这些信息并进行计算获取随机性指标值然后判断随机性指标值是否在设置的指标值范围内，也即是判断随机性指标值是否达标，若不达标，上位机根据当前随机性指标值向参数配置模块发送调节指令调整量子随机数发生器的配置参数，直至量子随机数发生器输出的熵源原始数据和随机序列对应的随机性指标值达标后结束对当前量子随机数发生器的检测，同时将达标对应的配置参数也即是合格的配置参数写入到量子随机数发生器中，达到提高量子随机数输出质量的效果。
43.具体地，量子随机数发生器中的模数转换器输出熵源原始数字信号，熵源原始数字信号经由信息通道并通过测试输出第一接口传输给数据采集模块，上位机获取熵源原始数字信号并对此信号进行计算获取熵源原始信号的最小熵值并判断最小熵值是否在设置的最小熵范围内，也即是判断最小熵值是否达标，若低于设置的范围则不达标，上位机向参数配置模块发送调节指令，该调节指令为提高熵源芯片驱动电压值，参数配置模块接收该调节指令并提高量子随机数发生器的熵源芯片驱动电压值，基于调整后的熵源芯片驱动电压值，量子随机数发生器输出新的熵源原始数据，上位机再次进行分析判断，直至量子随机数发生器输出熵源原始数据对应的最小熵值位于设置的最小熵范围内也即达标后，上位机向参数配置模块发送写入指令，参数配置模块将当前的熵源芯片驱动电压值写入量子随机数发生器中。
44.量子随机数发生器中的随机数输出电路输出随机序列，经由信息通道并通过测试输出第二接口传输给数据采集模块，上位机获取随机序列并对此随机序列进行分析获取随机序列的自相关系数并判断自相关系数是否在设置的自相关系数范围内，也即是判断自相关系数是否达标，若低于设置的范围则不达标，上位机向参数配置模块发送调节指令，该调节指令为提高量子随机数发生器的后处理压缩比，参数配置模块接收该调节指令并提高量子随机数发生器的后处理压缩比，基于调整后的后处理压缩比，量子随机数发生器输出新的随机序列，上位机再次进行分析判断，直至量子随机数发生器输出随机序列对应的自相关系数位于设置的自相关系数范围内也即达标后，上位机向参数配置模块发送写入指令，参数配置模块将当前的后处理压缩比写入量子随机数发生器中。
45.由上述内容可知，通过本技术设备检测的量子随机数发生器输出的是满足随机性测试标准的随机数，因此消除了不同生产批次的量子随机数发生器的工艺误差对随机数质量的影响。此外，本技术中的检测设备是单独的检测系统，没有集成在量子随机数发生器内
部，因此可以在不更改硬件的条件下，可以根据需要在上位机上添加需要检测的指标进行检测，具有更加灵活的检测和调节功能。
46.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
47.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，包括测试电路板、上位机、数据采集模块、参数配置模块和电源；所述测试电路板用于承载和固定量子随机数发生器，所述测试电路板和所述量子随机数发生器电连接；所述数据采集模块分别与所述上位机和所述测试电路板电连接，所述数据采集模块用于实时采集所述量子随机数发生器产生的熵源原始数据和随机序列并将所述熵源原始数据和所述随机序列反馈给所述上位机；所述上位机用于实时接收所述数据采集模块反馈的所述随机序列和所述熵源原始数据并计算获取随机性指标值，同时根据所述随机性指标值向所述参数配置模块发送调节指令或写入指令；所述参数配置模块分别与所述上位机和所述测试电路板电连接，所述参数配置模块用于接收所述上位机发送的调节指令并根据所述调节指令调整所述量子随机数发生器的配置参数并将合格的配置参数写入所述量子随机数发生器；所述电源分别与所述数据采集模块、所述参数配置模块和所述测试电路板电连接，用于对所述数据采集模块、所述参数配置模块和所述测试电路板供电。2.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述测试电路板上设置电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和通讯模块，所述电源接口、测试输出第一接口、测试输出第二接口和所述通讯模块均与所述量子随机数发生器电连接；所述电源接口连接所述电源，用于给所述量子随机数发生器供电；所述测试输出第一接口用于输出所述量子随机数发生器产生的熵源原始数据，所述测试输出第二接口用于输出所述量子随机数发生器产生的随机序列；所述通讯模块分别与所述参数配置模块和所述量子随机数发生器电连接，用于将配置参数传输给所述量子随机数发生器。3.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述量子随机数发生器通过焊接方式固定在所述测试电路板上。4.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述数据采集模块为fpga芯片。5.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述参数配置模块由信号输入接口、电平转换芯片和信号输出接口组成，所述信号输入接口用于输入所述上位机发送的调节指令，所述调节指令为rs232电平指令信号；所述电平转换芯片用于将所述rs232电平指令信号转换为ttl电平指令信号；所述信号输出接口用于将所述ttl电平指令信号传输给所述量子随机数发生器。6.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述电源为数控稳压电源。7.根据权利要求1所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述量子随机数发生器由依次电连接的熵源芯片驱动电路、熵源芯片、信号放大电路、模数转换器、后处理芯片和随机数输出电路组成，所述模数转换器输出熵源原始数字信号并通过所述数据采集模块传输给所述上位机，所述随机数输出电路输出随机序列并通过所述数据采集模块传输给所述上位机。8.根据权利要求2所述的一种量子随机数闭环检测设备，其特征在于，所述通讯模块包
括参数调节接口和参数写入接口，所述参数调节接口和所述参数写入接口均与所述量子随机数发生器连接，所述参数调节接口用于将所述参数配置模块根据所述调节指令调整的配置参数传输给所述量子随机数发生器；所述参数写入接口用于将合格的配置参数传输给所述量子随机数发生器。

技术总结
本申请公开一种量子随机数闭环检测设备，包括测试电路板、上位机、数据采集模块、参数配置模块和电源；测试电路板用于固定量子随机数发生器；数据采集模块分别与上位机和测试电路板电连接，数据采集模块用于实时采集量子随机数发生器产生的熵源原始数据和随机序列并反馈给上位机；上位机实时接收随机序列和熵源原始数据并计算获取随机性指标值，同时根据随机性指标值向参数配置模块发送调节指令或写入指令；参数配置模块分别与上位机和测试电路板电连接，参数配置模块用于接收上位机发送的调节指令并根据调节指令调整量子随机数发生器的配置参数并将合格的配置参数写入量子随机数发生器；电源对数据采集模块、参数配置模块和测试电路板供电。和测试电路板供电。和测试电路板供电。


技术研发人员：李泽忠 徐洪飞 胡小飞 毕超 姚顺
受保护的技术使用者：合肥硅臻芯片技术有限公司
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/7/23