ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

ВВЕДЕНИЕ

 

Последовательности случайных чисел имеют широкое распространение в различных сферах деятельности от криптографии до компьютерных игр и лотерей. Под генерацией случайных чисел (далее – ГСЧ) подразумевается получение случайных последовательностей из двоичных знаков 0 и 1. Все ГСЧ делятся на 2 типа – истинно случайные (физические генераторы/датчики случайных чисел) и псевдослучайные (программные датчики/генераторы случайных чисел). Проблемы истинно случайных генераторов заключаются в том, что они не всегда работает с требуемой скоростью и/или с течением времени или с изменением условий, генерируемые последовательности перестают быть случайными. Программируемые датчики представляют собой заданную разработчиком детерминированную функцию, которая инициализируется так называемым зерном. Зная это зерно или имея возможность его вычислить, можно предсказать всю последовательность. Поэтому на практике используют статистические тесты для проверки случайного характера бинарной последовательности, формируемой генератором случайных или псевдослучайных чисел.

В лабораторном практикуме используется квантовый генератор случайных чисел, который относится к классу физических генераторов. Физическая основа этого генератора – единичные квантовые процессы, происходящие в светодиоде при низких интенсивностях тока. Поскольку квантовые процессы не предсказуемы, то в некотором диапазоне интенсивностей тока можно получить последовательность случайных чисел.

В лабораторной работе № 1 данного лабораторного практикума изучается структурная электрическая схема и конструкция квантового генератора случайных числовых последовательностей (далее – КГСЧ), а также исследуется зависимость сигнала на выходе кремниевого фотоэлектронного умножителя (далее – SiФЭУ), а также на выходе порогового дискриминатора и делителя частоты от величины обратного напряжения на SiФЭУ и тока через светоизлучающий диод с помощью ПЭВМ с цифровым осциллографом BORDO.

В лабораторной работе № 2 данного лабораторного практикума изучаются последовательности случайных чисел и методы их проверки на случайность. Используется физический источник последовательностей случайных чисел, методы корреляционного анализа и тесты, созданные на основе алгоритмов проверки случайных последовательностей, разработанных Национальным институтом стандартов и технологий США (далее – NIST).

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

 

1 Цель работы

1 Изучить конструкцию, принципы построения и работы КГСЧ.

2 Исследовать работу КГСЧ при различных значениях обратного напряжения на кремниевом фотоэлектронном умножителе с помощью ПЭВМ с цифровым осциллографом BORDO.

3 Исследовать работу КГСЧ при различных значениях тока через светоизлучающий диод с помощью ПЭВМ с цифровым осциллографом BORDO.

 

2 Краткие теоретические сведения

Кремниевый фотоумножитель (далее SiФЭУ) представляет собой микропиксельный лавинный фотодиод, работающий в гейгеровском режиме и предназначенный для счета фотонов. Каждый пиксель SiФЭУ создает импульсный выходной сигнал при обнаружении единичного фотона. Общий выходной сигнал кремниевого фотоумножителя представляет собой сумму выходных сигналов с каждого пикселя. Кремниевые фотоумножители обладают высокой обнаружительной способностью необходимой для счета фотонов и используются в различных применениях, в которых требуется детектирование очень слабых световых сигналов на уровне единичных фотонов.

Свет, воспринимаемый человеческим глазом, обычно состоит из потока частиц света (фотонов), которые создают определенную яркость. С уменьшением яркости светового потока фотоны начинают отделяться друг от друга. Метод счета фотонов позволяет измерить световые потоки низкой освещенности путем подсчета числа фотонов. Фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды являются наиболее распространенными детекторами для счета фотонов.

Лавинные фотодиоды представляют собой высокоскоростные фотодиоды, усиливающие внутренний фототок при приложенном обратном напряжении. В случае если обратное напряжение, приложенное к лавинному фотодиоду, превышает напряжение пробоя, внутреннее электрическое поле становится настолько сильным, что позволяет получить высокий коэффициент усиления фотодиода (10е5-10е6). Такой режим работы лавинного фотодиода называется "режим Гейгера". Генерируемые носители заряда создают новые электрон-дырочные пары, которые ускоряются высоким внутренним электрическим полем. Вновь созданные носители также ускоряются в приложенном поле, чтобы создать еще больше носителей, и этот процесс повторяется снова и снова (лавинное умножение) - коэффициент усиления становится пропорциональным приложенному напряжению. При работе фотодиода в режиме Гейгера возникает очень большой импульс, вызванный инжекцией в лавинный слой носителя заряда, созданного фотоном, падающим на активную поверхность фотодиода. Обнаружение этого импульса позволяет обнаружить единичные фотоны. Каждый пиксель состоит из лавинного фотодиода, работающего в гейгеровском режиме, к которому последовательно подключен гасящий резистор (добавочное сопротивление).

Кремниевый фотоумножитель состоит из множества пикселей лавинных фотодиодов, соединенных параллельно и работающих в гейгеровском режиме. При попадании фотона на активную область фотодиода выходной сигнал с каждого пикселя постоянен и не зависит от числа падающих фотонов. Это означает, что каждый пиксель фотодиода позволяет получить информацию о том, сколько фотонов попало на поверхность фотодиода. Гасящий резистор (добавочное сопротивление) присоединен к каждому пикселю и позволяет выходному току протекать через него. Поскольку все пиксели фотодиода соединены в один считывающий канал, то выходные импульсы с пикселей суммируют друг друга, создавая большой импульс. Измеряя высоту этого импульса, можно определить количество фотонов, детектируемое кремниевым ФЭУ.

 

3 Приборы и оборудование

1. Персональный компьютер.

2. Цифровой осциллограф BORDO.

3. Квантовый генератор случайных числовых последовательностей.

 

4 Порядок выполнения работы

1. Произвести внешний осмотр оборудования рабочего места и убедиться визуально в отсутствии каких-либо повреждений и дефектов.

2. Изучить конструкцию и электрическую структурную схему КГСЧ. Внешний вид КГСЧ представлен на рисунке 1.1, а структурная электрическая схема - на рисунке 1.2

 

Рисунок 1.1 Внешний вид КГСЧ

 

 

Рисунок 1.2 КГСЧ. Схема электрическая структурная

 

Модуль генератора подсветки светоизлучающего диода (СИД) типа GNL-AL307ED-E (длина волны 635 нм) формирует последовательность прямоугольных импульсов частотой 200 кГц, длительность импульсов 1 мкс. Интенсивность подсветки регулируется. В крайнем левом положении переменного резистора, подключенного к выходу данного модуля - минимальная интенсивность (рисунок 1.1). Временная диаграмма напряжения импульсов подсветки (выход XS1 на рисунке 1.2) представлена на рисунке 1.3.

 

Рисунок 1.3 Временная диаграмма импульсов подсветки СИД

 

Модуль детектора фотонов, выполненного на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя (SiФЭУ) - опытного образца производства завода «Интеграл», преобразует излучение слабой интенсивности в последовательность импульсов при обратном напряжении ≥ 21 В (гейгеровский режим). Обратное напряжение на SiФЭУ изменяется от 0 до 30 В и измеряется с помощью модуля цифрового вольтметра (рисунки 1.1 и 1.2). Временная диаграмма напряжения на выходе SiФЭУ (выход XS2 на рисунке 1.2) представлена на рисунке 1.4.

 

 

Рисунок 1.4 Временная диаграмма импульсов на выходе SiФЭУ

 

 

 

Модуль порогового дискриминатора на основе амплитудного компаратора LM311 выделяет случайные импульсы с амплитудой ≥ 100 мВ на выходе детектора фотонов (выход XS3 на рисунке 1.2). Временная диаграмма напряжения на выходе порогового дискриминатора (выход XS3 на рисунке 1.2) представлена на рисунке 1.5.

Модуль делителя частоты преобразует выделенные импульсы в двухуровневый случайный цифровой шум, необходимый для работы модуля ARDUINO. Временная диаграмма напряжения на выходе делителя частоты (выход XS4 на рисунке 1.2) представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Временная диаграмма импульсов на выходе

 

Модуль ARDUINO на основе микроконтроллера ATmega 2560 преобразует двухуровневый случайный цифровой шумовой сигнал в последовательность 0 и 1, которая преобразуется в ПК в текстовый файл длиной 8К (длина задается программно). Текстовый файл может использоваться для получения ключей шифрования.

3. Подключить блок питания КГСЧ к сети. С помощью кабеля подключить выход генератора XS1 к входу цифрового осциллографа BORDO. Включить персональный компьютер и запустить цифровой осциллограф BORDO. На осциллографе установить: вход закрытый, чувствительнось-1В/дел, развертка-5мкс/дел.

4. Снять и сохранить временную диаграмму импульсов на выходе генератора подсветки СИД. На рисунке 1.3 приведен пример временной диаграммы. На временной диаграмме измерить период (вычислить частоту), амплитуду и длительность импульсов  и оценить форму сигнала. Результаты записать в отчет.

5. Снять и сохранить временные диаграммы импульсов на выходе SiФЭУ для разных значений обратного напряжения и интенсивности подсветки СИД. Для этого подключить выход КГСЧ XS2 к входу цифрового осциллографа BORDO. На осциллографе установить: вход закрытый, чувствительнось-50мВ/дел, развертка-5мкс/дел. На рисунке 1.4 приведен пример временной диаграммы. Установить регулятор интенсивности подсветки СИД (рисунок 1.1) в положение близкое к крайнему левому (интенсивность подсветки близкая к минимальной) и плавно увеличивая обратное напряжение на SiФЭУ определить напряжение пробоя. Затем снять и сохранить две-три временные диаграммы увеличивая обратное напряжение и интенсивность подсветки в небольших пределах, при которых появляются импульсы разной амплитуды. На временных диаграммах измерить период (вычислить частоту), амплитуду и длительность импульсов  и оценить форму сигнала. Результаты записать в отчет.

6. Снять и сохранить временные диаграммы импульсов на выходе порогового дискриминатора для разных значений обратного напряжения и интенсивности подсветки СИД. Для этого подключить выход КГСЧ XS3 к входу цифрового осциллографа BORDO. На осциллографе установить: вход закрытый, чувствительнось-1В/дел, развертка-5мс/дел. и повторить указания пункта 5. На рисунке 1.5 приведен пример временной диаграммы

7. Снять и сохранить временные диаграммы импульсов на выходе делителя частоты для разных значений обратного напряжения и интенсивности подсветки СИД. Для этого подключить выход КГСЧ XS4 к входу цифрового осциллографа BORDO. На осциллографе установить: вход закрытый, чувствительнось-1В/дел, развертка-10мс/дел. и повторить указания пункта 5. На рисунке 1.6 приведен пример временной диаграммы

8. Сделать краткие выводы по результатам работы.

9. Ответить на контрольные вопросы.

10. Оформить отчет и сдать зачет.

5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование и цели лабораторной работы.

2. Структурную электрическую схему КГСЧ с пояснениями назначения модулей и принципов их работы.

3. Временные диаграммы (распечатки).

4. Расчеты основных параметров.

5. Выводы по результатам работы.

6. Ответы на контрольные вопросы.

6 Контрольные вопросы 

1. Назовите области применения генераторов шума.

2. Поясните принципы работы и укажите достоинства генераторов шума на основе SiФЭУ.