Устройство генерации квантовой случайной последовательности битов Российский патент 2023 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к области устройств генерации случайных битовых последовательностей на основе естественных стохастических процессов, и использующихся для предоставления последовательностей случайных чисел для решения задач формирования ключей шифрования, обеспечивающих защиту информации от несанкционированных действий при ее передаче.

Известно устройство из патента CN 106933532 B (дата приоритета – 14.12.2016, дата публикации – 24.09.2019), позволяющее генерировать последовательности случайных битов. Недостатком данного устройства является использование дополнительного оптоволоконного канала для внесения временной задержки в оптический сигнал источника светового излучения в виде лазера, что снижает защищенность устройства, а также увеличивает общие габариты конструкции устройства.

Также известно устройство из патента US 9335973 B2 (дата приоритета – 03.01.2014, дата публикации – 10.05.2016), осуществляющее генерацию последовательностей случайных чисел с использованием квантовых процессов. Недостатком данного устройства является использование фотоприемника, обладающего собственными шумами, что может негативно сказаться на скорости генерации последовательностей случайных чисел, их качестве и надежности.

Наиболее близким к заявляемому является устройство генерации квантовой случайной последовательности битов из патента US 8930429 B2 (дата приоритета – 27.08.2009, дата публикации – 06.01.2015), содержащее источник светового излучения в виде лазера с множеством когерентных состояний, аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала, выход которого связан с каналом сетевого доступа через преобразователь цифрового сигнала в случайную последовательность битов. Недостатками данного устройства являются использование фотоприемника, расположенного на некотором расстоянии от источника светового излучения и наличие оптического канала между лазером и фотоприемником, что приводит к недостаточной защищенности устройства от несанкционированного доступа. Кроме того, использование пары излучатель-фотоприемник и наличие оптического канала усложняет конструкцию устройства, увеличивает его габариты, снижает качество последовательностей случайных битов при использовании любых фотоприемников, характеристики которых отличны от идеальных.

Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является повышение защиты от несанкционированного доступа и повышение надежности устройства. Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в реализации обратной связи в оптическом канале с образованием быстропротекающей стохастичности в рабочей среде лазера.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит источник светового излучения в виде лазера с множеством когерентных состояний, аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала, выход которого связан с каналом сетевого доступа через преобразователь цифрового сигнала в случайную последовательность битов. Причем функцией преобразования в электрический сигнал выходного светового излучения лазера наделена его рабочая среда, а клеммы накачки лазера являются выходом преобразованного электрического сигнала и соединены с входом аналого-цифрового преобразователя; при этом на выходном торце лазера установлен распределенный брэгговский отражатель, излучение от которого отражается обратно в рабочую среду лазера. Благодаря реализации схемы с обратной связью за счет расположения на выходном торце лазера распределенного брэгговского отражателя обеспечиваются высокая компактность устройства, высокая энергоэффективность и степень защищенности от физического несанкционированного доступа.

Сущность изобретения поясняется блок-схемой устройства, изображенной на фигуре 1.

Устройство состоит из источника светового излучения в виде лазера 1 с множеством когерентных состояний, блока питания 2, подключенного к клеммам накачки 3 лазера 1, установленного на его выходном торце распределенного брэгговского отражателя 4. Клеммы накачки 3 соединены с входом аналого-цифрового преобразователя 5 электрического сигнала, выход которого связан с каналом сетевого доступа 6 через преобразователь цифрового сигнала в случайную последовательность битов 7. При этом клеммы накачки 3 лазера 1 являются выходом преобразованного электрического сигнала.

Устройство работает следующим образом. С целью генерации выходного излучения осуществляется электрическая накачка лазера 1 через его клеммы 3 с помощью блока питания 2. Излучение лазера 1 затем отражается обратно в его рабочую среду благодаря расположенному на пути распространения излучения распределенному брэгговскому отражателю 4, что приводит к смешению излучений в рабочей среде лазера 1. Смешение излучения вызывает случайные высокочастотные флуктуации напряжения на клеммах 3, к которым подключен аналого-цифровой преобразователь 5 электрического сигнала, регистрирующий данные флуктуации во времени и производящий их преобразование в цифровой электрический сигнал посредством нормировки и дискретизации в соответствии со своим разрешением. Получившийся случайный во времени сигнал поступает на преобразователь цифрового сигнала 7 в случайную последовательность битов, осуществляющий смешение и обработку поступившего исходного и сдвинутого по времени цифровых сигналов, формируя последовательность случайных битов, затем поступающую в канал сетевого доступа 6.

Реализация предлагаемого устройства выполнена с помощью кристалла полупроводникового вертикально-излучающего лазера на основе материалов In_0.57Ga_0.43As / In_0.53Ga_0.27Al_0.2As с квантовыми ямами и брэгговским отражателем на основе материалов Al_0.9Ga_0.1As / GaAs. Гетероструктура и топология лазера, а также топология и компонентная база преобразователя цифрового сигнала в случайную последовательность битов не раскрываются. Электрический сигнал был зарегистрирован во времени с использованием высокочастотных зондов MPI Titan, подключенных к осциллографу UXR0204A, электрическая накачка кристалла вертикально-излучающего лазера осуществляется с использованием модульного анализатора питания постоянного тока N6705C.

В результате эксперимента с использованием устройства были сгенерированы случайные последовательности битов, успешно прошедшие статистические тесты NIST 800-22 для р-значения 0,01 со скоростью не менее 32 Гбит/с при частоте дискретизации осциллографа 8 Гвыборок/с для последовательностей длиной 14285716 битов. Результаты статистических тестов представлены в Таблице. На фигуре 2 приведен зарегистрированный в ходе испытаний аналоговый электрический сигнал во времени, снятый с клемм накачки кристалла вертикально-излучающего лазера.

Таблица

Тест p-значение Результат теста Частотный побитовый тест 0,339 Успешно пройден Частотный блочный тест 0,932 Успешно пройден Тест серий 0,048 Успешно пройден Тест на длиннейшую серию единиц в блоке 0,798 Успешно пройден Тест рангов бинарных матриц 0,116 Успешно пройден Спектральный тест на основе дискретного преобразования Фурье 0,414 Успешно пройден Тест на совпадение неперекрывающихся шаблонов 0,192 Успешно пройден Тест на совпадение перекрывающихся шаблонов 0,216 Успешно пройден Универсальный тест Маурера 0,708 Успешно пройден Тест на линейную сложность 0,687 Успешно пройден Тест на периодичность 0,696 Успешно пройден 0,720 Успешно пройден Тест приблизительной энтропии 0,973 Успешно пройден Тест кумулятивных сумм (прямой) 0,224 Успешно пройден Тест кумулятивных сумм (обратный) 0,661 Успешно пройден

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении высокой степени безопасности от физического несанкционированного доступа за счет отсутствия пары излучатель-фотоприемник и связывающего их оптического канала. Устройство генерации квантовой случайной последовательности битов состоит из источника светового излучения в виде лазера с множеством когерентных состояний, отражающихся в уровне электрического сигнала в результате преобразования в него выходного светового излучения лазера, причем рабочая среда лазера наделена функцией преобразования в электрический сигнал выходного светового излучения лазера, а его клеммы накачки являются выходом преобразованного электрического сигнала и соединены с входом аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала, преобразователя цифрового сигнала в случайную последовательность, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала, а выход связан с каналом сетевого доступа, и отражателя в область выхода светового излучения лазера. 2 ил., 1 табл.

Устройство генерации квантовой случайной последовательности битов, содержащее источник светового излучения в виде лазера с множеством когерентных состояний, аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала, выход которого связан с каналом сетевого доступа через преобразователь цифрового сигнала в случайную последовательность битов, отличающееся тем, что функцией преобразования в электрический сигнал выходного светового излучения лазера наделена его рабочая среда, клеммы накачки лазера являются выходом преобразованного электрического сигнала и соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом на выходном торце лазера установлен распределенный брэгговский отражатель, излучение от которого отражается обратно в рабочую среду лазера.