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一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模

阅读:1076发布:2020-05-12

专利汇可以提供一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于量子随机数发生器技术领域,公开了一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模 块 ,包括由两个光电 二极管 组成的差分 电路 、由第一 电阻 和第一电容组成的交直流分离电路、由两个射频集成电路 放大器 组成的两级放大电路。本发明相比于一般的平衡探测器,对探测模块的放大电路进行了改进,去掉了传统的 跨阻放大器 和 运算放大器 ,采用射频集成电路放大器,使探测模块的带宽有了极大的提升;并且两级放大电路的结构,也满足了对探测模块高增益的要求,从而解决了连续变量量子随机数产生速率低的问题。而且随着光电探测技术的不断提高,量子随机数产生速率的提升空间还会更大。,下面是一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模专利的具体信息内容。

1.一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模,其特征在于,包括差分电路、交直流分离电路和两级放大电路,所述差分电路包括第一光电二极管(1)和第二光电二极管(2);所述两级放大电路包括第一射频集成电路放大器(5)、第二电容(6)、第二射频集成电路放大器(7)和第三电容(8),所述差分电路的输出端经交直流分离电路后,直流信号与DC直流输出端连接,交流信号与所述第一射频集成电路放大器(5)的输入端连接,第一射频集成电路放大器(5)的输出端经第二电容(6)与所述第二射频集成电路放大器(7)的输入端连接,第二射频集成电路放大器(7)的输出端经第三电容(8)与AC交流输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述第一射频集成电路放大器(5)和第二射频集成电路放大器(7)的型号为ABA-52563,第一光电二极管(1)和第二光电二极管(2)的型号为LSIPD-A75,第二电容(6)和第三电容(8)的电容值均为1uF。
3.根据权利要求2所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述两级放大电路还包括第四电阻(13),所述第二射频集成电路放大器(7)的输出端经第三电容(8)和第四电阻(13)后与AC交流输出端连接,第四电阻(13)的阻值为50Ω。
4.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述交直流分离电路包括第一电阻(3)和第一电容(4);所述第一光电二极管(1)的阴极连接0V~10V的正电压,所述第二光电二极管(2)的阳极连接-10V~0V的负电压,第一光电二极管(1)的阳极、第二光电二极管(2)的阴极、第一电阻(3)的一端和第一电容(4)的一端连接在一起,第一电阻(3)的另一端与DC直流输出端连接,第一电容的另一端与第一射频集成电路放大器(5)的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述第一电阻(3)的阻值为50Ω,第一电容(4)为1uF。
6.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述差分电路还包括第二电阻(9)、第四电容(10)、第三电阻(11)、第五电容(12);所述第一光电二极管(1)的阴极经第二电阻(9)连接0V~10V的正电压,还经第四电容(10)接地;
所述第二光电二极管(2)的阳极经第三电阻(11)连接-10V~0V的负电压,还经第五电容(12)接地。
7.根据权利要求6所述的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,其特征在于,所述第四电容(10)和第五电容(12)的电容值为1nF,第二电阻(9)和第三电阻(11)的阻值为1000Ω。

说明书全文

一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模

技术领域

[0001] 本发明属于量子随机数发生器技术领域,具体涉及一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块。

背景技术

[0002] 目前,基于连续变量量子态分量起伏不确定性生成随机数的方法,因其模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种有着很好应用前景的量子随机数产生方案。然而面向保密通信的实际应用,基于连续变量量子起伏测量提取随机数的方法实时速率尚很有限,其影响因素主要是由于homodyne探测带宽内增益难以达到一致,难以实现量子熵带宽内一致性评估,另一方面受限于FPGA运算大矩阵逻辑资源不足。最新研究提出并行量子随机数产生方案,实现了连续变量量子随机数产率的成倍提高,而最终限制量子随机数产率的因素则指向了平衡零拍探测系统的带宽[参考文献 Opt. Lett. vol. 14, Issue 
12,pp.5566-5569(2019)],因此提高量子随机数发生器中探测模块的性能至关重要。
[0003] 如图3所示,现有技术中,探测模块所用到的放大器基本都是运算放大器跨阻放大器,如OPA847,AD8015(模拟设备),LTC6409(线性技术),SA5211等,它们更适用于低频领域。因此,使用这些芯片,探测模块的增益、信噪比仅仅在窄带中得到很好的优化,而在扩大带宽时,其性能会下降。并且在实际的量子密钥分发方案中,随着通信距离的不断加大,速率的不断提高,势必对量子随机数的产生速率提出更高的要求。因此,如何有效提高量子随机数产生速率,仍是不断探究的问题。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有的量子随机数发生器探测模块带宽小,从而导致量子随机数产生速率较低的问题,提出了一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块设计方案。
[0005] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,包括差分电路、交直流分离电路和两级放大电路,所述差分电路包括第一光电二极管和第二光电二极管;所述两级放大电路包括第一射频集成电路放大器、第二电容、第二射频集成电路放大器和第三电容,所述差分电路的输出端经交直流分离电路后,直流信号与DC直流输出端连接,交流信号与所述第一射频集成电路放大器的输入端连接,第一射频集成电路放大器的输出端经第二电容与所述第二射频集成电路放大器的输入端连接,第二射频集成电路放大器的输出端经第三电容与AC交流输出端连接。
[0006] 所述第一射频集成电路放大器和第二射频集成电路放大器的型号为ABA-52563,第一光电二极管和第二光电二极管的型号为LSIPD-A75,第二电容和第三电容的电容值均为1uF。
[0007] 所述两级放大电路还包括第四电阻,所述第二射频集成电路放大器的输出端经第三电容和第四电阻后与AC交流输出端连接,第四电阻的阻值为50Ω。
[0008] 所述交直流分离电路包括第一电阻和第一电容;所述第一光电二极管的阴极连接0V~10V的正电压,所述第二光电二极管的阳极连接-10V~0V的负电压,第一光电二极管的阳极、第二光电二极管的阴极、第一电阻的一端和第一电容的一端连接在一起,第一电阻的另一端与DC直流输出端连接,第一电容的另一端与第一射频集成电路放大器的输入端连接。
[0009] 所述第一电阻的阻值为50Ω,第一电容为1uF。
[0010] 所述差分电路还包括第二电阻、第四电容、第三电阻、第五电容;所述第一光电二极管的阴极经第二电阻连接0V~10V的正电压,还经第四电容接地;所述第二光电二极管的阳极经第三电阻连接-10V~0V的负电压,还经第五电容接地。
[0011] 所述第四电容和第五电容的电容值为1nF,第二电阻和第三电阻的阻值为1000Ω。
[0012] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果:(1)本发明通过对量子随机数发生器探测模块进行改进,去掉了传统探测模块中的跨组放大器和运算放大器,采用射频集成电路放大器,从而使探测模块的带宽大大提高。现有的量子随机数发生器探测模块,测量带宽一般在MHz量级,本发明的探测范围可达1GHz。
[0013] (2)本发明采用基尔霍夫定律,设计并研究了一种具有两级放大电路的探测模块。由于增益与带宽的矛盾,在只有一级放大电路时,带宽增大,那么增益就减小,可是如果使用两级放大电路,在大带宽的前提下,即使两次的增益都不大,可是它们增益的乘积,即总增益,也会比一级放大时的增益大得多,这使得探测模块具有较高的增益,实现更高的量子真空正交分量的放大。
[0014] (3)本发明实现了量子随机数产生速率的有效提高,基于此方案可以使真空量子随机数的产生速率较传统方案有所增长。探测模块的截止频率是随机数产生过程中采样频率的上限,因此追求大的探测带宽。但是,目前探测模块所用到的放大器基本都是运算放大器和跨阻放大器,它们更适用于低频领域,将会导致随机数产生速率的降低。本发明的宽带宽特性刚好解决了这一问题。因此,本发明的探测模块,包括射频集成电路放大器和两级放大电路结构,可以获得较高的带宽,使得量子随机比特产生速率提高,在产生量子随机数方面显现出了独特的优势,这在量子保密通讯中有着很好的应用前景。附图说明
[0015] 图1为本发明实施例一提供的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块的电路原理图;图2为本发明实施例二提供的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块的电路原理图;
图3是现有的跨阻放大器电路结构图。
[0016] 其中,1、第一光电二极管,2、第二光电二极管,3、第一电阻,4、第一电容,5、第一射频集成电路放大器,6、第二电容,7、第二射频集成电路放大器,8、第三电容,9、第二电阻,10、第四电容,11、第三电阻,12、第五电容,13、第四电阻,14、跨阻放大器,15、反馈电阻。

具体实施方式

[0017] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0018] 如图1所示,本发明实施例一提供了一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,包括差分电路、交直流分离电路和两级放大电路,所述差分电路包括第一光电二极管1和第二光电二极管2;所述两级放大电路包括第一射频集成电路放大器5、第二电容6、第二射频集成电路放大器7和第三电容8,所述差分电路的输出端经交直流分离电路后,直流信号与DC直流输出端连接,交流信号与所述第一射频集成电路放大器5的输入端连接,第一射频集成电路放大器5的输出端经第二电容6与所述第二射频集成电路放大器7的输入端连接,第二射频集成电路放大器7的输出端经第三电容8与AC交流输出端连接。
[0019] 具体地,本实施例中,所述第一射频集成电路放大器5和第二射频集成电路放大器7的型号为ABA-52563,第一光电二极管1和第二光电二极管2的型号为LSIPD-A75,第二电容
6和第三电容8的电容值均为1uF。
[0020] 具体地,如图1所示,本实施例中,两级放大电路还包括第四电阻13,所述第二射频集成电路放大器7的输出端经第三电容8和第四电阻13后与AC交流输出端连接,第四电阻13的阻值为50Ω。
[0021] 具体地,如图1所示,本实施例中,所述交直流分离电路包括第一电阻3和第一电容4;所述第一光电二极管1的阴极连接0V~10V的正电压,所述第二光电二极管2的阳极连接-
10V~0V的负电压,第一光电二极管1的阳极、第二光电二极管2的阴极、第一电阻3的一端和第一电容4的一端连接在一起,第一电阻3的另一端与DC直流输出端连接,第一电容的另一端与第一射频集成电路放大器5的输入端连接。第一电阻3和第一电容4组成的交直流分离电路,其中第一电阻的电压降会保证两个光电二极管在反向偏置电压下正常工作,第一电容4阻挡电容,起阻挡直流部分的作用。
[0022] 进一步地,本实施例中,所述第一电阻3的阻值为50Ω,第一电容4为1uF。
[0023] 如图2所示,为本发明实施例二提供的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块的电路原理图,与实施例一相同,本实施例中,探测模块也包括差分电路、交直流分离电路和两级放大电路,且交直流分离电路和两级放大电路的结构与实施例一相同;与实施例一不同的是,本实施例中,差分电路不仅包括第一光电二极管1和第二光电二极管2,还包括第二电阻9、第四电容10、第三电阻11、第五电容12;所述第一光电二极管1的阴极经第二电阻9连接0V~10V的正电压,还经第四电容10接地;所述第二光电二极管2的阳极经第三电阻11连接-10V~0V的负电压,还经第五电容12接地。
[0024] 具体地,本实施例中,所述第四电容10和第五电容12的电容值为1nF,第二电阻9和第三电阻11的阻值为1000Ω。第二电阻和第三电阻都为1kΩ,目的是为了保证第一光电二极管的阴极的电压在需要的范围和第二光电二极管的阳极的电压在需要的范围,第四电容10和第五电容12的电容值均为1nF。
[0025] 本发明提供了一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,可用于探测分析真空散粒噪声在0Hz-1GHz的量子噪声谱,同时还可监测两光电二级管的入射光功率是否相等。两个光电二极管产生的光电流差信号,直流部分经第一电阻3输出到DC端,用于检测两光电管的入射光功率是否相等;交流部分经第一电容4输出到第一射频集成电路放大器5和第二电容组成的一级放大电路,经过第一次放大,再输出到第二射频集成电路放大器和第三电容组成的二级放大电路,再经过第二次放大,然后输出到AC交流输出端,用于测量探测模块的电子学噪声和光场的量子噪声。本发明中,两级放大电路两次对交流电信号进行放大,射频集成电路放大器本身具有自增益,不需要通过外接反馈电阻来放大电信号,避免了增益(即跨阻R)与增益带宽GBW之间的矛盾;这就能保持在宽带情况下获得高增益,两个射频集成电路放大器均采用ABA-52563,第二电容和第三电容同样也为阻挡电容,都为1uF;为了电路的稳定,在第三电容后连接阻值为50Ω的第四电阻,然后连接AC交流输出端输出交流信号。
[0026] 本发明中,两个光电二极管均采用LSIPD-A75测量1550nm的激光,结电容为1pF(反向偏压5V),-3dB带宽为2.5GHz,响应度90%;两射频集成电路放大器均采用ABA-52563,安捷伦的ABA-52563是一种经济的、易于使用的、内部匹配50Ω电阻的单片放大器,其内部匹配的50Ω电阻可在0.1GHz至3.5GHz范围内提供出色的增益和平坦的响应,自增益为21.5dB。电路采用正负5V供电(第一光电二极管的阴极连接5V的正电压,第二光电二极管的阳极连接-5V的负电压),两光电二极管相连的结点为A,结点A再接50Ω的电阻(第一电阻)输出直流信号,同时结点A也通过1uF的交流耦合电容(第一电容)分离出交流信号;两射频集成电路放大器后分别接交流耦合电容(第二电容、第三电容)。
[0027] 现有技术中多采用如图3所示的电路图测量光场的量子噪声,光电二极管将光信号转化为相应的电流信号后,电流信号首先经交流耦合电容和取样电阻分成交流信号和直流信号两部分,交流信号经跨阻放大器由AC端输出;直流信号经取样电阻(第一电阻)由DC端输出。影响探测模块带宽的因素一般有两种:一种是光电二极管的带宽,一种是放大器的带宽。跨阻运算放大器的带宽f由下式决定:; (1)
式中C是跨阻放大器反向输入端的总电容(包括光电二极管的结电容、跨阻运算放大器的输入电容和寄生电容),GBW为跨阻放大器的增益带宽,R是反馈电阻。而跨阻放大器的增益一般也就是它的反馈电阻R的阻值,因此,跨阻运算放大器的-3dB带宽与增益成反比。不难看出,带宽与增益并不能同时取得很好的特性。现有技术中的反相输入端总电容约1uF(包括两光电二极管并联的结电容2pF、跨阻运算放大器的输入电容1uF),GBW约为1.6GHz,当带宽为1GHz时,增益仅为0.3左右,这相当于把电流信号放小了,因此,现有技术的探测模块难以同时实现宽带宽以及高增益,本发明采用的一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块,由两个射频集成电路放大器组成的两级放大电路,由于光电二极管的带宽为
2.5GHz,放大器的带宽为3.5GHz,即使考虑到两光电二极管终端电容(第四电容、第五电容)和50Ω的第一电阻的滤波效果,也会使得探测模块的带宽达到1.6GHz,再考虑到寄生电容的影响,这个带宽最多只可能下降至1GHz。并且本发明的两级放大电路,能够最大程度的保证高增益的特性,由于射频集成电路放大器的自增益效果,使得其受外界电路的影响很小,在带宽为1GHz的前提下,其增益远远高于现有技术的增益。
[0028] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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