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通过使用镜腔系统内的量子光学效应的随机数的产生

阅读：760发布：2020-05-13

专利汇可以提供通过使用镜腔系统内的量子光学效应的随机数的产生专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且光学系统使用安置于光学腔内的双折射媒体，接收可以非相干或相干的输入光束并且通过在每个空腔遍历中形成双折射引发的光束细分而从所述输入光束产生随机化能量，其中在已发生阈值数目的遍历之后，产生随机化能量分布。所述随机化能量分布通过光电检测器读取并且通过随机化处理装置转换成随机数。，下面是通过使用镜腔系统内的量子光学效应的随机数的产生专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种随机化产生光学系统，包括：
光学腔，所述光学腔由第一反射镜和第二反射镜构成，其中所述第一反射镜配置成将从束源产生的光束接收到所述空腔中，并且其中所述第一反射镜和所述第二反射镜定位成通过所述空腔的多个往返遍历传播所述光束；
所述空腔内的多个偏振元件以及位于所述光学腔内的双折射媒体，用于接收所述光束并且至少每个往返遍历产生新的细分光束，由此在所述空腔内形成增加的分叉光束，以及对由所述多个偏振元件中的一个或多个引发的偏振选择或旋转作出响应；
其中所述光学腔配置成在所述空腔的随机化阈值数目的往返遍历内将所述光束和所述增加的分叉光束保留在所述空腔中，使得在发生所述随机化阈值数目的往返遍历之后，在所述空腔中产生随机化能量，并且其中所述空腔配置成将所述所产生随机化能量释放出所述空腔；以及
光电检测器，所述光电检测器定位成从所述空腔接收所述随机化能量并且将所述随机化能量转换成并行随机化输出信号。
2.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，进一步包括：
随机化处理装置，所述随机化处理装置经耦合以从所述光电检测器接收所述并行随机化输出信号并且具有一个或多个处理器以及存储当执行时使所述一个或多个处理器执行以下操作的指令的一个或多个存储器：
从所述光电检测器读取所述并行随机化输出信号；以及
从所述并行随机化输出信号产生N个位的随机数。
3.根据权利要求2所述的随机化产生光学系统，其中所述一个或多个存储器存储当执行时使所述一个或多个处理器不断地接入所述光电检测器以不断地收集不同并行随机化输出信号的其它指令。
4.根据权利要求2所述的随机化产生光学系统，其中所述一个或多个存储器存储当执行时使所述一个或多个处理器周期性地接入所述光电检测器，或响应于控制信号，每次接入产生不同并行随机化输出信号的其它指令。
5.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述光电检测器是由像素阵列构成的像素化光电检测器，其中所述阵列中的所述像素中的至少一些同时接收所述随机化能量以产生并行像素输出信号，每个随机并且共同形成所述并行随机化输出信号。
6.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜都是曲面镜。
7.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜都是平面镜。
8.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述第一反射镜是高反射性的，并且所述第二反射镜是部分反射性的。
9.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述第一反射镜具有用于从所述束源接收所述光束的入口孔，并且其中所述第二反射镜具有用于产生到所述光电检测器的所述随机化能量的出口孔。
10.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述多个偏振元件包括一对偏振器或一对波片。
11.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述多个偏振元件包括一对偏振旋转器。
12.根据权利要求11所述的随机化产生光学系统，其中所述对偏振旋转器是电可控液晶偏振旋转器。
13.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述多个偏振元件包括多个电可控偏振旋转器，所述光学系统进一步包括处理装置，所述处理装置电耦合到所述多个电可控偏振旋转器中的至少一个，以将扰动信号施加到用于所述电可控偏振旋转器中的所述至少一个的电压控制信号，由此在所述随机化能量顶部形成周期平稳信号。
14.根据权利要求13所述的随机化产生光学系统，其中所述多个电可控偏振旋转器包括液晶偏振旋转器。
15.根据权利要求13所述的随机化产生光学系统，其中所述多个电可控偏振旋转器包括具有通过电控安装级可调整的定向的偏振器或波片。
16.根据权利要求1所述的随机化产生光学系统，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜都是平面镜，并且其中所述多个偏振元件包括多个偏振旋转器区段，每个区段与彼此区段横向间隔开并且定位成接收偏振旋转并且将偏振旋转提供到所述空腔内的所述分叉光束。
17.一种用于产生随机化的方法，所述方法包括：
将从束源产生的光束接收到光学腔中；
所述光学腔的多个往返遍历将所述光束保留在所述光学腔中；
每个往返遍历通过使所述光束穿过双折射媒体以及穿过多个偏振元件细分所述光束，使得即将入射到所述双折射媒体上的所述光束被细分成额外光束以共同地在所述空腔内形成分叉光束；
在所述空腔已发生阈值数目的往返遍历之前，将所述分叉光束保留在所述空腔内，此后在所述空腔中从所述分叉光束产生随机化能量；
在光电检测器处检测所述随机化能量；以及
从在所述光电检测器处检测到的所述随机化能量产生并行随机化输出信号。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
在随机化处理装置中从所述光电检测器读取所述并行随机化输出信号；以及从所述读取的并行随机化输出信号产生N个位的随机数。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
以电气方式控制所述偏振元件中的至少一个以将扰动信号施加到用于所述偏振元件中的所述至少一个的电压控制信号，由此在所述随机化能量顶部形成周期平稳信号。

说明书全文

通过使用镜腔系统内的量子光学效应的随机数的产生

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请主张2015年3月4日在35U.S.C.§119(e)下提交的第62/128,088号美国临时申请的优先权权益，所述申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

[0003] 无本文中提供的背景描述是出于大体上呈现本公开的上下文的目的。在此背景技术部分中所描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时不能作为现有技术的本说明书的各方面既不明确地也不隐含地被视为本公开的现有技术。

[0004] 在计算机科学和信息技术的领域中，随机数的使用几乎随处可见。随机数用于对敏感消息进行编码，从而为游戏应用程序(例如，博彩)以及科学和通信中的其它应用程序的主机创建模仿现实随机化事件的模拟(也称为用于华尔街消费者行为的科学计算和建模的蒙特卡洛模拟)。传统的随机数产生器(RNG)装置已利用不同电子和光学噪声来产生初始数值。在许多情况下，所述过程足够缓慢，使得这些初始数值仅提供用于最终产生随机位的数学算法的“种子”。然而，由于系统设计中的基本限制，这些随机位仅是伪随机的。

[0005] 目前，产生随机数的光学系统通过使用光学噪声如此执行。然而，常规设计中的噪声源，例如，由于穿过光学分束器的单个光子而产生的噪声，展现由于温度和外部条件而产生的显著波动，并且在许多情况下需要减除DC 信号。这表示多个RNG仅适用于校正由于低光子计数率或非随机背景的滤波而产生的大量零位的电路(诺伊曼校正器)，所述零位通常具有大于所需效果的数量级。此RNG装置还可以展现慢速度，因为系统必须等待噪声级上升到大于一些阈值。

[0006] 由于电子装置变得更快、更便宜且在操作中并行，因此仍重点关注以不易受操作条件影响的方式产生真随机数或仍需要伪随机算法。

发明内容

[0007] 本发明技术提供用于产生随机位的替代技术，即，克服与常规RNG相关联的多个缺陷的技术。本发明技术使用最初可为高相干的并展现极低噪声的束源(例如，激光源)，并且通过与双折射媒体的重复交互产生随机化光输出。装置可以用于使光的偏振状态旋转，从而保持产生展现噪声的光输出的“混合量子状态”(相对于双折射媒体的轴)。此增强的噪声、随机光束输出可以通过单电池或像素化光电检测器读取。每个像素经历不同组的随机化能量波动，由此提供本质上随机和并行的位流。

[0008] 在一些实例中，可以使用包含光学延迟或法布里-珀罗设定的镜腔。空腔通过空腔内的双折射材料以及偏振旋转元件来回反射光。这促使空腔内的光束在穿过空腔时根据光束的偏振轴(沿着平行和垂直方向)相对于材料的双折射轴不断地分割。在光束细分时，与每个新分区相关联的能量是每前一个分区的能量的一半。仅仅只要光子的数目(具有与进入空腔的光相关联的能量的不可分单元)大于一，此减少就可以继续。在达到统计界限，即，通过获取总入射光束能量并除以单个光子的能量确定的限值[E＝(hω/2π)]之后，空腔中的光子在各自获取随机量的横向动量时任意地游动。根据此随机游动，装置产生随后通过光电检测器测量到的随机化能量分布。

[0009] 在其它实例中，空腔配置用多层双折射结构替换以创建单遍随机化系统。在此类实例中，双折射结构由多个邻接层构成，每个连续层具有与前一入射层不对准的双折射轴。在此种配置中，光会经历类似分裂每个表面，接着相对于下一层处于旋转状态，使得将在下一层出现进一步分裂并且最终出现分叉，从而从结构产生随机化能量。

[0010] 根据实例，随机化产生光学系统包括：光学腔，所述光学腔由第一反射镜和第二反射镜构成，其中第一反射镜配置成将从束源产生的光束接收到空腔中，并且其中第一反射镜和第二反射镜定位成通过空腔的多个往返遍历传播光束；空腔内的多个偏振元件以及位于光学腔内的双折射媒体，用于接收光束并且至少每个往返遍历产生新的细分光束，由此在空腔内形成增加的分叉光束，以及对由多个偏振元件中的一个或多个引发的偏振选择或旋转作出响应；其中光学腔配置成在空腔的随机化阈值数目的往返遍历内将光束和增加的分叉光束保留在空腔内，使得在发生随机化阈值数目的往返遍历之后，在空腔中产生随机化能量，并且其中空腔配置成将所产生的随机化能量释放出空腔；以及光电检测器，所述光电检测器配置成从空腔接收随机化能量并且将随机化能量转换成并行随机化输出信号。

[0011] 根据另一实例，公开一种用于产生随机化的方法，所述方法包括：将从束源产生的光束接收到光学腔中；光学腔的多个往返遍历将光束保留在光学腔中；每个往返遍历通过使光束穿过双折射媒体以及穿过多个偏振元件细分光束，使得即将入射到双折射媒体上的光束被细分成额外光束以共同地在空腔内形成分叉光束；在空腔已发生阈值数目的往返遍历之前，将分叉光束保留在空腔内，此后在空腔中从分叉光束产生随机化能量；在光电检测器处检测随机化能量；以及从在光电检测器处检测到的随机化能量产生并行随机化输出信号。附图说明

[0012] 并入本公开中并且构成本公开的一部分的附图说明了本发明装置的各种实施例。这些附图包含：

[0013] 图1是根据实例的用于创建随机化的光学系统的示意图。

[0014] 图2是根据另一实例的用于创建随机化的另一光学系统的示意图。

[0015] 图3说明根据实例的当光束相对于用于细分的双折射媒体轴通过表示“混合量子”状态的偏振进入样本材料时，光束如何在穿过如图1和2中的双折射样本之后进行分裂。

[0016] 图4说明根据实例的用于不断地在图1和2的光学系统中分裂光束的光束分叉过程。

[0017] 图5是根据实例的用于使用平面镜创建随机化的光学系统的示意图。

[0018] 图6是根据另一实例的用于使用平面镜创建随机化的另一光学系统的示意图。

[0019] 图7A和7B说明根据实例的在光电检测器上的两个不同随机化能量像素模式。

[0020] 图8是根据实例的双折射媒体和由分段式偏振器构成的光学腔的示意图。

[0021] 图9说明根据实例的具有法布里-珀罗配置的用于随机化的光学系统。

[0022] 图10说明根据实例的用于随机化的单遍光学系统。

具体实施方式

[0023] 本发明技术应用双折射来从可或可不最初相干的入射光束产生随机化能量或光输出。当取决于进入电场的方向以及材料的原子结构的对准，材料将进入的非偏振或偏振光束分成两种不同状态时，出现光学双折射现象。已发现双折射材料用于采用分束器形式的随机数产生器中，所述分束器在“混合量子(偏振)状态”下任意地将单个光子偏转到一个方向或另一方向。这些装置是在一个光子上操作的单级装置，这表示这些装置对于需要显著较大随机化位流的应用程序本质上是不切实际的，大部分计算应用程序也是如此。此外，甚至一次一个光子的随机化也具有可疑的实用性，因为所述技术通常产生必须进行校正的高零位率。

[0024] 图1说明具有束源102以及由第一腔镜106和第二腔镜108界定的光学腔104的光学系统100。束源102可以是非相干束源，例如，借助于实例，弧光灯、闪光灯、电火花、无电极灯、准分子灯、荧光灯、高强度放电灯、空心阴极灯、感应灯、氖灯和氩气灯、等离子灯、氙气闪光灯、使用不同灯丝或气体的灯泡以及甚至阳光。在包含所说明实例的其它实例中，束源102可以是相干束源，例如，二极管激光器、VCSEL阵列或利用导气管、固态结构、光纤、光子晶体、半导体、染料、自由电子或其它外来媒体的激光，无论不断地操作(CW)还是进行脉冲(q 开关、模式锁定或脉冲抽运)。束源102可以在可见、近红外、中红外、长红外、紫色或其它合适的频谱范围中产生光束发射。此外，在一些实例中，束源可以包含经由多个波长组分的光束发射，其中例如，当使用多个不同光电检测器时，每个波长组分可以通过光学系统单独地随机化。

[0025] 在所说明的实例中，束源102产生入射到空腔104上并且通过反射镜106引入到空腔中的光束，所述反射镜对于外部光束可以是部分透明的，或可以具有钻孔(如图所示)，或可以在光束与空腔104的轴形成非90°角时被照射到。也就是说，在一些实例中，从束源102产生的入射光束穿过入射钻孔进入第一反射镜106中并且通过同一入射钻孔从空腔104离开。在其它实例中，入射光束可以通过在空腔的相对侧上的反射镜108中的出射钻孔离开，如在图2中的光学系统100'中所示(具有相同参考标号，不同之处在于，反射镜108'具有出射钻孔，而反射镜108不具有出射钻孔)。入射光束的入射角以及随机化能量的出射角在一些实例中可以不同并且在其它实例中可以相同(或大致相同)。可以选择出射孔的大小以与通过光学系统100产生的随机化能量的光束扩展重合。

[0026] 其中空腔104是双折射媒体110，例如，方解石、石英石、红宝石、金红石、蓝宝石、碳化硅、电气石、锆石、氟化镁、铌酸锂、冰、绿宝石硼酸钡、硼砂、泻盐、云母-黑云母、云母-白云母、橄榄石、钙钛矿、黄宝石、硼钠石以及通过与外部磁场交互具有诱导型双折射的材料。双折射媒体110的特征可以在于产生快轴与慢轴两者的两个折射率之间的差。这些不同折射率使入射光束分成两个；出射光束的间隔是这些折射率之间的差的函数(Δn＝ne-no)。

[0027] 双折射媒体110位于两个偏振元件(板)112之间，所述两个偏振元件可以具有彼此对准、彼此正交或相对于彼此成角的偏振轴。例如，这些偏振元件可以是线偏振器或圆偏振器。在一些实例中，这些偏振板112替代地是在光束穿过空腔104时提供部分偏振状态旋转的波片。在又其它实例中，这些偏振器是可旋转元件，例如，包含电动旋转液晶板。偏振板112的偏振轴可以在操作期间固定以实现随机化；同时在其它实例中，板112可以在操作期间旋转，使得其偏振轴在随机化过程期间变化。可以使用变化的偏振轴，例如以将信息嵌入随机化能量输出内，如下文进一步论述。

[0028] 尽管未示出，但在一些实例中，空腔104将进一步包含元件，例如：光电检测器，所述光电检测器沿着双折射材料(可以用于通过改变光束中的一些或全部光子的偏振而压印信息)或其它材料(在允许光束离开空腔之前聚焦或折射光束)的表面沿着反射镜表面、向列型液晶凝胶中的一个嵌入某一位置处。这些元件可以组合成层，作为由具有偏振旋转器或聚焦元件的外层的中心双折射材料组成的单个材料，或通过机械结构单独地保存在适当位置。

[0029] 在操作中，反射镜106、108形成促使入射光束重复地与包围的双折射媒体110交互的反射腔。因此，主要取决于中心媒体的双折射率，空腔104可以配置为光学延迟或法布里-珀罗空腔(例如，图9)。双折射媒体110分割多个光束中的入射光束的能量，如图3中所示。偏振板112使入射光束的偏振旋转，以相对于媒体110的双折射轴保持“混合量子”状态并且每个遍历中产生分割光束。此配置由此允许光束能量通过空腔104的每个遍历细分。也就是说，偏振板112可以具有相对于y轴成角度的偏振轴，所述y轴与空腔轴正交。例如，偏振板112可以相对于y轴形成22.5°的角，但是任何非0°锐角可以用于产生偏振旋转。图3说明入射光束在双折射媒体上的细分。入射光束根据实例被细分成两个新状态：一个沿着媒体的双折射轴以及另一个垂直于媒体的双折射轴。在如图4所示，空腔内的光束穿过空腔时，发生光束分叉过程，空腔不断地分裂光束，从而产生基于新偏振的细分光束。也就是说，初始入射光束穿过空腔并且取决于配置的每个往返或每个单程产生增加数目的光束，也称为增长的分叉光束，如图4中所示。

[0030] 每个遍历中离开双折射媒体的光束(例如，参看图3)将会分成具有垂直偏振状态的两个光束组分。取决于板112的偏振轴的角度，在这些光束组分进入双折射媒体之后，每个遍历中这些波束组分将各自预见进一步分裂；并且在达到随机化阈值并且已产生随机化能量之前，此过程将至少继续和增长。对于类似于图1和2的配置，其中在每个遍历中空腔的每个单程出现一次分裂或每个往返出现两次分裂之前，板112的偏振轴相对于这些光束出射光束组分的偏振轴旋转。然而，对于其中板112的偏振轴中的一个沿着相对于光束组分的偏振轴中的一个形成的45°角保持恒定的配置，每个往返出现一次分裂。此外，可以通过控制偏振器或偏振旋转器的操作，例如，通过将LC旋转元件连接到可变电压源而在遍历之间调整往返中的分裂量。

[0031] 如图4所示，通过每个遍历，在达到个别光子的尺度之前，初始光束将其能量细分(分叉)。在此发生之前，光子获取随机横向动量。这样会使离开空腔并照射到光电检测器的光束的强度以与其它类型的波动或光学噪声非常不同的等级波动。此感应噪声与总光束输出成比例，而不是如散粒噪声中所见与总输出的平方根成比例，从而为所产生能量提供显著不同的标签以及优于散粒噪声装置的数值优点。所产生能量具有随机化分布，例如，光电检测器处的输出光束强度是随机的(噪声)。对于像素化检测器，所述噪声在每个像素处同时出现并且可以并行读出。

[0032] 换句话说，光学系统100和100'是用于出于随机数产生(RNG)的目的创建双折射的改进用途的技术的实例。在单次相遇时，离开双折射媒体的最初非偏振或处于“混合量子”(偏振)状态(如图3中)的光束将沿着通过媒体界定的轴分成两个不同偏振状态。仅通过同一媒体反射此光束将通常产生极少的增强效果，并且在圆双折射的情况下，初始分裂甚至可能无法完成。然而，本发明技术提供空腔内的光束的连续旋转，其中光束的偏振在每个遍历中旋转并且其方式为使得波束分裂在空腔内不断地发生。然而，在光束分裂增加时，达到随机化阈值，此后在空腔内产生随机化能量。随后在空腔外部利用和使用所述随机化能量，以产生可以通过光电检测器检测到的整个并行随机化区域。

[0033] 在穿过空腔阈值数目遍(例如，Ebeam～2(遍历数))之后，入射光束已转换成随机化能量分布，所述随机化能量分布随后从空腔104清除并提供到光电检测器114，例如，像素化阵列光电检测器。

[0034] 随机化能量分布可以通过多个技术，包含通过部分反射表面、孔口或钻孔从空腔104或从反射镜的侧面(例如，如果使用平面镜)清除。在法布里-珀罗空腔配置(参看图9)中，一个腔镜是高反射性的而另一腔镜是部分反射性的，从而允许光束通过部分反射镜进入和离开，以从空腔清除随机化能量。在光学系统100的一些实施方案中，仅随机化能量将排出空腔104。但是，在一些实例中，例如，如果输出具有一些非随机组分，那么可以对从空腔产生的随机化能量输出执行外部滤波。此滤波可以通过具有空腔104或空腔外部的物理滤波器实现。在一些实例中，例如，通过将每个像素的DC电平设定成特定电平，或在一时间段内执行每个像素的平均化，或在收集像素处的强度测量之前允许每个像素具有饱和期，可以通过光电检测器实现此滤波。

[0035] 在其中光束通过一个反射镜中的孔或与反射镜的侧面成角度地引入(如在图1和2的实例中)的基于光学延迟的配置中，在光束追溯其可以离开的入口点之前或在波束穿过空腔并通过对置腔镜的孔或侧面离开之前，光束穿过空腔。尤其在曲面镜的情况下，这些实例起作用。

[0036] 图5和6说明用于产生随机化的光学系统的其它实例配置。在图5的光学系统200中，束源102从某一角度以及从第一腔镜204的外边缘外部提供入射光束，所述第一腔镜是平面镜并且与第二腔镜206界定空腔205，所述第二腔镜也是平面镜并且平行于第一反射镜204。两个偏振板208提供在双折射媒体210周围。类似于板112的板208可以是偏振器或波片或液晶板，或具有固定或可旋转偏振轴的任何其它合适的偏振器。这些偏振器可以是线偏振器，但在其它实例中，这些偏振器可以是圆偏振器。对于由平面镜204、206形成的空腔，光束将仅由于几何形状而离开空腔。光束在腔室的左下方处以非90°角进入，随后在一定数目的遍历从左上方离开之后，接着随机化能量光线照射到连接到图像处理装置214的光电检测器212上。图5示出在系统的一侧上具有光电检测器212的光学系统200。图6示出在另一侧上的光电检测器212(并且由此标记为200')。

[0037] 光学系统100和200产生表征为随机统计噪声(在新出现的光子数目的平方根的水平处)的随机化能量以及具有与光子数目成比例的等级的随机光束能量。光束能量在0与最大值之间波动。为了将此光学随机化能量转换成随机化数字信号，光电检测器114和212分别电耦合到随机化处理装置116和214。这些随机化处理装置116/214可以实现为分别嵌入有光电检测器114和212(当然，以及416)的处理器，例如，读出电路或其它处理器。或者，处理装置116/214可以是单独装置，例如，台式计算机、笔记本电脑、工作站等等。在一些实例中，处理装置116可以通过有线或无线连接耦合到光电检测器114。在一些实例中，处理装置116/214通过通信网络耦合到光电检测器114/212，其中例如，处理装置116/212可以远程地位于服务器或其它位置上。

[0038] 光电检测器114/212的像素阵列从空腔104/205接收随机化能量并且每个像素产生数字输出信号“1”或“0”。每个像素并行产生输出信号，使得像素共同地产生并行像素输出信号。这些并行像素输出信号可以不断地产生或者各自读取对应光电检测器的循环。这些并行像素输出信号共同地形成对应光电检测器的并行随机化输出信号。12x12像素阵列(例如，如果完全通过随机化能量照射)可以产生144个并行输出信号的最大值，即，由144个不同值构成的并行随机化输出信号，随机化处理器随后可以将所述并行输出信号转换成N个位的随机数，其中N等于或小于144，例如，128个位。图7A说明在光电检测器114/212上的第一随机化能量像素模式。例如，如果使用CW束源，那么可以不断地读出随机化能量模式，或者例如，如果使用脉冲束源，那么可以周期性地读出所述模式。只要允许光束进入空腔，只要为激光器供电，每当接入光电检测器以进行读出时，模式就会继续自动地变化和更新。图7B说明在另一时间点处获取的另一实例随机化能量模式。

[0039] 出射光束的能量以电子方式进行记录并且转换成通过处理装置116/214记录的一系列“1”和“0”位。处理装置116/214随后将根据由光电检测器114/212的像素记录的值产生长度N个位的随机数。所述位长度N可以与光电检测器114/212的像素数目相同，或者可以是n像素总数目的某一子集。在一些实例中，N是等于2 (2、4、8、16、32、64、128、256等)的整数。
随机数随后存储在处理装置116/214/416的一个或多个非暂时性计算机可读存储器上。本文中的处理装置可以包含一个或多个过程、存储可由一个或多个处理器执行的指令的一个或多个存储器。这些装置可以包含用于连接到外围设备，例如，输入装置(键盘、小键盘等)、显示器以及连接到便携式装置和其它处理装置的输入/输出连接器。装置可以包含用于通过有线或无线通信耦合到通信网络的网络接口。处理装置116/214可以在任何所需时间接入光电检测器114/212，并且在随机化不断地变化时获得新的随机数，尤其在CW操作的束源的情况下。应了解，光电检测器可以缓冲其读出，以便将所检测随机化像素值存储在可以由处理装置116/214接入的存储器中。本文中的技术还可以借助于其它实例实施为专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。适合于执行计算机程序的处理器包含例如通用和专用微处理器两者，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机将包含用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。然而，通常计算机还可以包含用于存储数据的一个或多个大容量存储装置，或以操作方式耦合以从所述一个或多个大容量存储装置接收数据或向其传送数据或进行这两种操作，所述大容量存储装置例如磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机无需具有此类装置。此外，计算机可以嵌入另一装置中。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读媒体包含所有形式的非易失性存储器、媒体和存储器装置，包含例如：半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和闪存存储器装置；磁盘，例如，内部硬盘或可装卸式磁盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入在专用逻辑电路中。

[0040] 通过使用像素化光电检测器来捕获能量输出，随机分布可以提供位的并行集合以用于敏感信息的加密、噪声的模拟(例如，在不同系统的蒙特卡洛模拟中)以及需要随机数产生的任何应用。也就是说，每个像素对应于随机的不同位。因此，N位随机数中的每个位是真随机的。

[0041] 如上文简单论述，在一些实例中，偏振元件的偏振轴可以用电气方式(或用机械方式)控制以在操作期间旋转；甚至可以振荡所述轴。例如，液晶旋转器可以用作偏振板112。这些液晶旋转器可以保持固定在偏振定向上。然而，在其它实例中，外加电压可以用于改变元件的偏振轴，从而进一步控制空腔内的光束分裂。图1示出实例实施方案，其中任选的波形产生器和电压控制器118通过随机化处理装置116控制，以发送调制后电压信号来控制偏振元件112的旋转。通过此配置，可以使用施加到控制电压的扰动信号正弦式地增加或减小外加电压，以产生偏振旋转度的变化。取决于光学腔的特征、空腔往返时间、当前遍历数目、获得随机化能量所需的遍历的阈值数目以及任何其它合适的物理因素，旋转量、旋转率和调制波形都可以得到控制。可以控制调制后电压信号以传递随机化能量上的所需信息，例如，受信任接收器站可以用于验证随机化编号的发射源的经编码标头等的信息。在任何情况下，甚至在使用偏振板或波片的实例中，这些元件可以安装在可以使偏振元件旋转的安装级上，由此调整其定向。此机械旋转可以手动地或电气地控制安装级。

[0042] 在例如调整偏振元件的实际偏振定向的这些实例的实例中，取决于空腔的往返次数、双折射的量以及其它因素，所述调整可以不断地或周期性地以及以定时方式进行。对偏振定向的此种控制可以引入称为与随机输出重叠的周期平稳信号的信号。此周期平稳信号可以是(例如)嵌入由光学系统产生的随机化能量内的调制后信号。

[0043] 偏振旋转器可以如在图1和2的配置中实现为在双折射媒体210的两侧上的单对旋转器，或者偏振旋转器可以分成拦截穿过空腔的光束路径的若干区段，如图8中所示，图8说明分段式偏振旋转器的实例实施方案300。两个平面镜302、304围绕双折射媒体306。多个偏振旋转器区段308(仅所示偏振旋转器区段的代表性编号)遍历至少一个反射镜的表面，每个偏振旋转器区段定位成与入射光束交互，所述入射光束对应于在两个反射镜302、304之间的空腔的特定遍历。在光束遍历反射镜的直径时，每个遍历将经历偏振旋转器区段。取决于几何形状，在足够横向地进入下一偏振旋转器区段308之前，一些光束可以在多个遍历中照射到相同偏振旋转器308上。在分段式方法中，每个偏振旋转器区段308可以相同地操作，从而产生相同偏振旋转，或者每个偏振旋转器区段可以单独地受到控制。区段308的大小可以基于光束形状和宽度以及遍历数目来设定，以达到随机化阈值。实施为液晶或以其它方式，区段308可以安装到机械结构，所述机械结构间隔空间以最大化如可以通过入射角确定的光束点在区段中心的入射。尽管未示出，但是匹配的区段对也可以形成用于反射镜304。

[0044] 在任何情况下，本文使用旋转偏振器的光学系统可以控制任何周期平稳信号，即嵌入最终输出中并且用于对位进行编码的调制在随机化能量(噪声)顶部上的信号的强度。因为可以改变偏振器中的一个或多个，所以可以调制由光学系统产生的噪声作为附加特征。周期平稳信号将允许用户以预定频率发送出调制后噪声。接收者将检测到所述噪声调制，以确定在噪声之后接收到的信号是否通过特定发送器发送。在光学系统中，旋转器中的至少一个可以在随机化期间不断地旋转。在其它实例中，旋转器中的两个或多于两个(如果分段式)将在随机化期间不断地旋转。

[0045] 所得重叠信号(周期平稳信号)可以提供用于通过以某一先前分配或协定的频率验证传输而验证加密信息的接收者的方式。例如，发射台可以包含如本文所描述的光学系统随机化器。所述发射台可以产生随机数，随后例如通过有线电连接或经由网络(无论网络是安全的、不安全的还是部分安全的)通过无线连接将所述随机数传输到接收台。随机数可以通过从周期平稳信号确定的次级数据传输，所述周期平稳信号嵌入用于产生随机数的原始随机化能量内。所述次级数据可以嵌入随机数内，其方式为使得第三方无法检测到随机数的哪一部分含有所述次级数据。然而，具有所述次级数据的经验证接收者，例如，知晓用于在随机化过程期间调制偏振轴的波形的接收者将能够出于验证目的识别随机数内的次级数据，以确认编号来自有效发射台。也就是说，无论正弦式还是以其它方式，可以将施加到电压的准确重叠(或扰动)波形单独地从发射装置或源传送到接收装置。或者，在其它实例中，接收装置可以存储重叠波形并且使用所述波形来对接收信号进行解密。重叠正弦信号可以进一步用于向接收者警示某种威胁或对场中的仪器执行快速检查以评估其随机化过程。

[0046] 图9说明在法布里-珀罗配置中的另一光学系统400。输入光束(来自未示出的束源＝)照射到第一聚焦反射镜402上，所述第一聚焦反射镜部分反射并且与第二部分反射镜406形成空腔404。因此，输入光束通过反射镜的部分反射性而不通过钻孔引入空腔404中。
所产生的随机化能量以及所述随机化能量如何离开也是如此。在所说明的实例中，反射镜
402的反射性可以基本上高于反射镜406的反射性。偏振板408在双折射样本410的相对侧上示出。将随机化能量输出提供到光电检测器412，所述光电检测器耦合到随机化处理装置
416。

[0047] 我们已基于光学双折射示出随机化产生器，所述光学双折射用于通过双折射分裂再分布光束(例如，激光束或任何其它源)的光子能量，通过光束穿过光学系统的每个遍历发生所述双折射分裂。为了确保每遍分裂，使用也放置于空腔内的光学元件使光束偏振旋转。例如但不限于液晶(LC)的旋转器可以用于保持操作所需的“混合量子”状态。在达到与入射束源相关联的光子数目的统计限值之后，分裂引发光束能量的随机化。在实例中，如果使用1W输入光束，那么存在约6*1018个可用光子，并且在双折射材料分割能量总共263(～6*10+18)次的约63个遍历之后，空腔中剩余的且不断地旋转到混合状态的任何光子将开始获取随机横向动量(即，随机游动)，使得输出能量分布不保留输入光束的原始可预测相干特性。通过Ebeam～2(遍历数)确定达到此随机化阈值所需的遍历数。

[0048] 本发明技术由此能够产生：i)不依赖于伪随机数学算法而提供真随机性的所产生序列；ii)可以读出到光电检测器上的随机化的并行位流(对并行计算非常重要)；ⅲ)出于多个工业目的所需的极快位产生(主要由从检测器的读出次数限制)；以及iv)用于改变束源的偏振旋转以提供不可用于其它类型的随机数产生器上的调制后信号或周期平稳特征的能力。

[0049] 在其它实例中，空腔配置用多层双折射结构替换以创建图10中所示的单遍随机化系统。在系统500中，双折射结构502由多个邻接层构成，每个连续层具有与前一入射层不对准的双折射轴。在此种配置中，光束会经历类似分裂每个表面，接着相对于下一层处于旋转状态，使得将在下一层出现进一步分裂并且最终出现分叉，从而从结构产生随机化能量。对于产生引起随机游动的分叉的分层系统500，结构502的分层可以进一步包含嵌入层中的大规模液晶或其它受控偏振器。

[0050] 在整个本说明书中，多个实例可以实施描述为单一实例的组件、操作或结构。尽管将一个或多个方法的个别操作说明且描述为分离的操作，但可以同时执行个别操作中的一个或多个，且并不要求以所说明的次序执行操作。呈现为实例配置中的分离组件的结构和功能性可以实施为组合式结构或组件。类似地，呈现为单个组件的结构和功能性可以实施为单独的组件。这些以及其它变化、修改、添加和改进属于本文中的主题的范围内。

[0051] 另外，某些实施例在本文中描述为包含逻辑或多个例程、子例程、应用程序或指令。这些可以构成软件(例如，在机器可读媒体上或在发射信号中实施的代码)或硬件。在硬件中，例程等是能够执行某些操作的有形单元并且可以通过特定方式配置或布置。在实例实施例中，一个或多个计算机系统(例如，独立客户端或服务器计算机系统)或计算机系统一个或多个硬件模块(例如，处理器或处理器群组)可以通过软件(例如，应用程序或应用程序部分)配置为操作用于执行本文中所描述的某些操作的硬件模块。

[0052] 在各种实施例中，硬件模块可以用机械方式或用电子方式实施。例如，硬件模块可以包括永久性地配置成执行某些操作的专用电路或逻辑(例如，专用处理器，例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))。硬件模块还可以包括通过软件暂时性地配置以执行某些操作的可编程逻辑或电路(例如，如涵盖在通用处理器或其它可编程处理器内)。应了解，可以由成本和时间考虑因素驱动以机械方式、在专用且永久性地配置的电路中或在暂时性地配置的电路(例如，由软件配置)中实施硬件模块的决策。

[0053] 因此，术语“硬件模块”应理解为涵盖有形实体，以物理方式构造、永久性配置(例如，硬接线)或暂时性配置(例如，编程)从而以某一方式操作或执行本文中所描述的某些操作的实体。考虑到其中硬件模块进行暂时性配置(例如，编程)的实施例，无需在任一时刻处配置或实例化硬件模块中的每一个。例如，在硬件模块包括使用软件配置的通用处理器的情况下，通用处理器可以在不同时间配置为相应不同硬件模块。软件因此可以配置处理器，例如以在一个时刻构成特定硬件模块并且在不同时刻构成不同硬件模块。

[0054] 硬件模块可以将信息提供到其它硬件模块以及从其它硬件模块接收信息。因此，可以将所描述的硬件模块视为以通信方式耦合。在多个此类硬件模块同时存在的情况下，通信可以通过连接硬件模块的信号发射(例如，经由合适电路和总线)实现。在于不同时间处配置或实例化多个硬件模块的实施例中，可以例如通过存储并检索多个硬件模块已存取的存储器结构中的信息而实现此类硬件模块之间的通信。例如，一个硬件模块可以执行一个操作且将所述操作的输出存储在存储器装置中，所述硬件模块以通信方式耦合到所述存储器装置。接着，另一硬件模块可以随后存取存储器装置以检索和处理所存储输出。硬件模块还可以通过输入或输出装置启动通信，并且可以对资源(例如，信息的集合)进行操作。

[0055] 本文所描述的实例方法的不同操作可以至少部分通过一个或多个处理器执行，所述处理器暂时性地配置(例如，通过软件)或永久性地配置成执行相关操作。无论暂时性地配置还是永久性地配置，此类处理器可以构成操作用于执行一个或多个操作或功能的处理器实施的模块。在一些实例实施例中，本文提及的模块可以包括处理器实施的模块。

[0056] 类似地，本文所描述的方法或例程可以至少部分是处理器实施的。例如，方法的至少一些操作可以通过一个或多个处理器或处理器实施的硬件模块执行。操作的特定性能可以分布在一个或多个处理器当中，不仅驻存在单一机器内，而且还跨越多个机器部署。在一些实例实施例中，一个或多个处理器可以位于单个位置中(例如，位于家庭环境、办公室环境或服务器群内)，而在其它实施例中，处理器可以跨越多个位置分布。

[0057] 操作的特定性能可以分布在一个或多个处理器当中，不仅驻存在单一机器内，而且还跨越多个机器部署。在一些实例实施例中，一个或多个处理器或处理器实施的模块可以位于单个地理位置中(例如，位于家庭环境、办公室环境或服务器群内)。在其它实例实施例中，一个或多个处理器或处理器实施的模块可以跨越多个地理位置分布。

[0058] 除非另外明确说明，否则本文使用例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“呈现”、“显示”等等单词的论述可以指代操纵或变换表示为一个或多个存储器(例如，易失性存储器、非易失性存储器，或其组合)、寄存器，或接收、存储、传输或显示信息的其它机器组件内的物理(例如，电子、磁性或光学)量的数据的机器(例如，计算机)的动作或过程。

[0059] 如本文所使用，对“一个实施例”或“一实施例”的任何参考表示结合实施例所描述的特定元件、特性、结构或特征包含在至少一个实施例中。短语“在一个实施方案中”在说明书中的各处的出现不一定都指代相同实施例。

[0060] 可以使用表达“耦合”和“连接”以及其衍生词来描述一些实施例。例如，可以使用术语“耦合”来描述一些实施例以指示两个或多于两个元件直接物理或电接触。然而，术语“耦合”还可以表示两个或多于两个元件并不彼此直接接触，但是仍然彼此协作或相互作用。实施例在此情形下不受限制。

[0061] 如本文所用，术语“包括(comprises/comprising)”、“包含(includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何其它变化意图涵盖非排它性的包含。例如，包括元件列表的过程、方法、物品或设备不一定仅限于那些元件，但可以包含没有明确列出或此过程、方法、物品或设备所固有的其它元件。另外，除非明确相反地陈述，否则“或”是指包含性的或而不是排它性的或。例如，条件A或B通过以下中的任一种来得到满足：A是正确的(或存在的)并且B是错误的(或不存在的)、A是错误的(或不存在的)并且B是正确的(或存在的)以及A和B都是正确的(或存在的)。

[0062] 另外，“一(a/an)”的使用用于描述本文中的实施例的元件和组件。这样做仅是为方便起见并且给出描述的一般性意义。本说明书和所附权利要求书应理解为包含一个或至少一个并且单数还包含复数个，除非明显指单数。

[0063] 此详细描述将被解释为仅仅是示例性的，而并非描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例即使不是不可能也是不切实际的。可以使用当前技术或在本申请提交日期后开发出的技术实施多种替代实施例。

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