阅读说明：本技术 用于生成随机比特样本的方法和系统 (Method and system for generating random bit samples ) 是由 伯特兰·鲁莱特 让-查尔斯·法纳夫 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：生成随机比特样本的方法涉及量子隧穿势垒。该方法大体上具有：生成跨过所述量子隧穿势垒的电荷的电流,隧穿的电荷的电流具有由于量子隧穿波动而随机改变的瞬时电平并且形成原始信号；从所述原始信号中获取具有第一比特数目n的原始比特样本,所述第一比特数目n是整数；将所述原始比特样本中的随机性提取到随机比特样本中,所述随机比特样本具有小于所述第一比特数目n的第二比特数目m,所述提取是基于校准数据的,所述校准数据至少包括：所述原始比特样本中的所述量子隧穿波动的量子贡献值；和所述原始比特样本中的外部贡献值。(The method of generating random bit samples involves quantum tunneling barriers. The method generally has: generating a current of charge across the quantum tunneling barrier, the current of tunneled charge having a transient level that randomly changes due to quantum tunneling fluctuations and forming an original signal; obtaining original bit samples with a first number n of bits from the original signal, the first number n of bits being an integer; extracting randomness in the original bit samples into random bit samples having a second number of bits m smaller than the first number of bits n, the extracting being based on calibration data comprising at least: a quantum contribution value of the quantum tunneling ripple in the original bit sample; and an external contribution value in the original bit sample.)

用于生成随机比特样本的方法和系统

技术领域

该改进总体上涉及利用电荷的量子隧穿来生成随机比特(bit)的领域。

背景技术

随机比特已在许多领域(例如密码术，机会游戏，科学演算和/或统计研究)中找到了有价值的应用。在这些应用中，所产生的随机比特的随机性是非常重要的，因为随机比特的可预测性将导致不安全的通信，例如，欺骗和/或不可靠的科学结果。

在随机比特生成器的领域中，以相对自由的方式来使用表述“随机的”，因为所产生的比特流通常已知具有一定水平的确定性(即，并不是纯随机的)。已经以评估随机比特样本中的随机性质量的方式开发了几种方法，例如由国家标准和技术研究所(NationalInstitute of Standards and Technology，简称NIST)开发的用于随机比特生成器的统计测试套件。

从随机比特生成器中寻求的特征包括随机性的质量、以相对高的速率来产生随机比特的能力、定价、覆盖区(footprint)等。因此，在提供用于产生随机比特生成的适当设备方面，仍然存在改进的空间。

发明内容

量子噪声源呈现了固有地随机的特征，并因此可以将其用于生成具有高水平随机性质量的随机比特。例如，可以基于随机地隧穿通过量子隧穿势垒的电荷(带负电荷的电子和/或带正电荷的空穴)的电流来生成比特样本。例如，所述量子隧穿势垒可以是夹在导体之间的电绝缘体的形式。由于量子隧穿的固有随机性质，隧穿电荷的电流具有随机改变的瞬时电平，并因此形成低电平电噪声。可以理解的是，该低电平电噪声通常被滤波、放大和数字化成原始比特样本，然后可以从该原始比特样本中确定令人满意的随机性的比特样本。

可能需要例如通过放大来处理来自量子隧穿势垒的信号，以便能够提供可用于生成随机比特的原始信号。该处理过程在本质上可以是部分或完全确定性的，并且可以生成外部噪声，该外部噪声与原始信号的量子噪声固有地纠缠，并且降低了所得到的原始比特样本的随机性的质量。因此，即使当真正的量子过程(例如量子隧穿)被用作原始比特样本生成源时，所述随机性的质量也可能并不理想，并且在处理期间可能受到阻碍。

本文描述了一种方法，该方法可以减轻与来自量子隧穿势垒的原始信号的处理相关的至少一些不便性。这可以通过利用包括有量子隧穿势垒的量子贡献值和至少由放大器引起的外部贡献值的校准数据，从所述原始比特样本中提取具有较高随机性质量的比特样本来实现。

在一个方面，提供了一种利用量子隧穿势垒来生成随机比特样本的方法，所述量子隧穿势垒包括被夹在两个导体之间的绝缘体，所述方法包括：生成从所述两个导体中的第一导体隧穿到所述两个导体中的第二导体并且跨过所述绝缘体的电荷的电流，隧穿的电荷的电流具有由于量子隧穿波动而随机改变的瞬时电平并且形成原始信号；从所述原始信号中获取具有第一比特数目n的原始比特样本，所述第一比特数目n是整数；将所述原始比特样本中的随机性提取到随机比特样本中，所述随机比特样本具有小于所述第一比特数目n的第二比特数目m，所述提取是基于校准数据的，所述校准数据至少包括：所述原始比特样本中的所述量子隧穿波动的量子贡献值；和所述原始比特样本中的外部贡献值。

在一个方面，提供了一种用于生成随机比特样本的系统，所述系统包括：量子隧穿势垒电路，其具有量子隧穿势垒，该量子隧穿势垒包括被夹在两个导体之间的绝缘体，电荷的电流从所述两个导体中的第一导体隧穿到所述两个导体中的第二导体并且跨过所述绝缘体，隧穿的电荷的电流具有由于量子隧穿波动而随机改变的瞬时电平并且形成原始信号；监测器，其被配置成接收所述原始信号，并且从所述原始信号中获取具有第一比特数目n的原始比特样本，所述第一比特数目n是整数；以及随机性提取器，其被配置成将所述原始比特样本中的随机性提取到随机比特样本中，所述随机比特样本具有小于所述第一比特数目n的第二比特数目m，所述提取是基于校准数据的，所述校准数据至少包括：所述原始比特样本中的所述量子隧穿波动的量子贡献值；和所述原始比特样本中的外部贡献值。

该方法可以通过相对简单的电子组件来实现，并因此可以容易地应用在普通板上。此外，电子元件的测量和选择还可以允许利用非常简单的电子组件以令人满意的速率产生这种随机比特样本。此外，提供了一种随机比特生成器，其包括板或印刷电路板(PCB)，所述板或印刷电路板(PCB)上安装有一个或多个量子隧穿势垒，并且适于连接到偏置源(电荷源)，所述偏置源可以直接结合在所述板上或者被单独地提供。由于量子隧穿可以涉及大量隧穿的电荷，这些电荷可以以高速隧穿所述量子隧穿势垒，因此这种随机比特生成器在理论上还可以允许非常快速地生成并获取随机比特样本。

应当理解的是，本文使用的表述“计算机”不应以限制的方式来解释。广义上来说，其通常指一个或多个处理单元的某些形式与可由该处理单元(多个)访问的存储器系统的某些形式所进行的组合。类似地，本文使用的表述“控制器”不应以限制方式来解释，而应以执行对一个或多个装置(例如电子装置或执行器)进行控制的功能(多个)的装置或具有一个以上装置的系统的广义意义来解释。

应当理解的是，所述计算机或控制器的各种功能可以通过硬件或通过硬件和软件的组合来执行。例如，所述硬件可以包括作为处理器的硅芯片的一部分而包括的逻辑门。软件可以是诸如被存储在存储器系统中的计算机可读指令的数据形式。关于计算机、控制器、处理单元、或处理器芯片，表述“被配置成”涉及存在有可***作以执行相关功能的硬件或硬件和软件的组合。

本领域的技术人员在阅读了本发明之后，涉及本发明的改进的许多进一步的特征及其组合将是明了的。

附图说明

在附图中，

图1是根据实施例的包括原始比特生成器和随机性提取器的随机比特生成器的示例的示意图；

图2是图1的原始比特生成器的示例的示意图；

图3是示出了从图2的原始比特生成器中获取给定的原始比特样本的概率的曲线图；

图4是图1的随机性提取器的示例的示意图；

图5是示出了从图2的原始比特生成器中获取的原始比特样本的变化的曲线图；

图6是图4的随机性提取器的示例的示意图，其示出了当先前的校准数据与随后的校准数据之间的差大于给定的容差值时生成警报；

图7是利用种子比特样本的图4的随机性提取器的示例的示意图，该种子比特样本由随机性提取器接收并被随机比特样本迭代地替换；

图8是结合图1的随机比特生成器的电子设备的示例的前视图；

图9是图2的量子隧穿势垒电路的示例的示意图；

图10A是具有两个量子隧穿势垒电路的原始比特生成器的另一示例的示意图；

图10B是图10A的原始比特生成器的电路；以及

图10C是图10A的原始比特生成器的量子隧穿势垒的斜视图。

具体实施方式

图1示出了随机比特生成器的示例。如图所示，所述随机比特生成器具有原始比特生成器和随机性提取器，该原始比特生成器结合量子隧穿势垒。如将在下面参考图9所详细描述的，所述原始比特生成器具有量子隧穿势垒电路，该量子隧穿势垒电路结合量子隧穿势垒，该量子隧穿势垒具有被夹在两个导体之间的绝缘体。

现在回到图2，所述量子隧穿势垒电路被配置成提供原始信号，该原始信号由从两个导体中的第一导体隧穿到两个导体中的第二导体并且跨过所述绝缘体的电荷电流所产生。由于所述原始信号是模拟信号，隧穿的电荷的电流由于量子隧穿波动而具有随机改变的瞬时电平。

如所示的，原始比特生成器具有监测器，其被配置成从量子隧穿势垒直接地或间接地接收原始信号。例如，可以从所述量子隧穿势垒直接地接收原始信号。然而，在一些其它实施例中，例如在所示的实施例中，利用至少一个放大器将量子隧穿势垒电路所提供的原始信号适宜地放大，以提供具有令人满意电平的放大的原始信号。在这种情况下，经由至少一个放大器从所述量子隧穿势垒间接地接收原始信号。

所述监测器还被配置成提供来自所述原始信号的一个或多个数字化原始比特样本。在所示的实施例中，所述监测器提供来自从所述放大器接收的放大的原始信号的原始比特样本。每个原始比特样本具有第一比特数目(number)n，其中该第一比特数目n是整数。如将在下面描述的，可以以采样器的形式提供监测器。然而，该采样器是可选的，因为可以使用其它的监测器替代物来将原始信号转换为原始比特样本。

在一些实施例中，以采样器的形式来提供所述监测器，该采样器被配置成对所述原始信号的瞬时电平进行采样，并且将值赋予遂穿通过所述量子隧穿势垒的电荷电流的瞬时电平。在一些实施例中，所述原始比特样本可以对应于电流的瞬时电平的所述值。例如，在给定的时刻，当第一比特数目n为4时，采样器可以对原始信号进行采样，以具有最大值2⁴-1＝15中的值5，然后提供原始比特样本0101。

在一些实施例中，所述采样器可以在不同的时刻对所述原始信号的瞬时电平进行采样，以提供源比特样本，每个源比特样本对应于电流的瞬时电平的所述值。然而，在这些实施例中，可以使用联接器(concatenator)将所述源比特样本彼此联接成原始比特样本。例如，在第一时刻，所述采样器可以对所述原始信号进行采样，以具有2²-1＝3中的值1，然后提供的第一源比特样本01。然后，在第二时刻，所述采样器可以将所述原始信号进行采样，以具有2²-1＝3中的值2，然后提供第二源比特样本10。在该示例中，所述联接器可以将所述第一源比特样本和所述第二源比特样本彼此联接，以提供原始比特样本0110或1001。在所述实施例中，所述第一比特数目n对应于每个源比特样本的源比特数目乘以彼此联接的源比特样本的数目。可以理解的是，所述联接器可以是可选的，因为所述监测器可以被配置成将所述原始信号直接地转换为原始比特样本。可以认为，在连续的源比特样本彼此不相关的实施例中，将源比特样本彼此联接将不是必须的。

可以理解的是，由量子隧穿势垒电路提供的原始信号可以被认为是量子式的，因此是非确定性的。然而，对于放大的原始信号或任何形式的处理的原始信号并不是这种情况。实际上，在该实施例中，由放大器执行的放大给信号添加了外部的非量子式的且确定性的贡献(contribution)。还可以由原始比特生成器的监测器(例如，采样器)或其它电子组件添加一些外部贡献。因此，原始信号具有量子贡献和外部贡献，并且所述原始比特样本也是如此。如可以理解的是，通过具有确定性的外部贡献，直接来自这种原始信号的随机比特可以由第三方对手予以控制和/或推导出，对于诸如密码应用的一些应用而言，这将降低这种随机比特的可信度。

图3示出了从原始比特生成器获取的原始比特样本的概率分布的示例。在该特定的示例中，为简单起见，第一比特数目n对应于3。例如，在当由采样器进行采样时原始信号的瞬时值在0mA至5mA之间时，所生成的原始比特样本为100；在当由采样器进行采样时原始信号的瞬时值在5mA至10mA之间时，所生成的原始比特样本为101，等等。如图所示，获取原始比特样本100的概率大于获取原始比特样本101的概率，等等。所示的概率分布由标准偏差σ和方差σ²进行表征。

发明人提出了由原始比特生成器生成的原始比特样本的方差σ²可以由等价于以下关系式的关系式给出：

σ²＝A(S_J+S_ext) (1)

其中，A表示所述原始比特生成器的有效增益，S_J表示原始比特样本中的量子隧穿波动的量子贡献值，S_ext表示原始比特样本中的被至少放大的外部贡献值。在这个示例中，所述原始比特生成器的有效增益A可以包括放大器的增益和阻抗以及检测带宽。更具体地，所述有效增益A可以由关系式A＝R²G²Δf给出，其中，R表示量子隧穿势垒的电阻，G表示放大器的有效增益，Δf表示所监测的原始信号的带宽。在一些其它实施例中，所述放大器的有效增益G可以从所使用的放大器的规范中推断出。在可替代的实施例中，所述放大器的有效增益G可以通过放大具有已知幅度的给定信号并且通过将已放大的信号的幅度与给定信号的已知幅度进行比较来确定。否则，在不存在有放大器时，放大器的有效增益对应于一致性(unity)，并且原始比特生成器的有效增益由式GAA＝R²Δf给出。

在以下示例中，所述量子贡献值S_J是从量子隧穿势垒电路中获取的原始信号的谱密度，而所述外部贡献值S_ext是至少由于放大器提供的放大而引起的外部贡献的谱密度。

然而，可以理解的是，在一些其它实施例中，所述量子贡献值可以由在给定频率带宽上对原始信号的谱密度进行积分所得到的功率值的形式来提供。类似地，在这些实施例中，所述外部贡献值可以由在给定频率带宽上积分的外部贡献的谱密度进行积分所得到的功率值的形式来提供。

现在参考图4，所述随机性提取器被配置成将一个或多个原始比特样本中的随机性提取为具有第二比特数目m的一个或多个随机比特样本。从下面的描述中可以理解的是，所述第二比特数目m小于所述第一比特数目n。因此，在提取过程中丢失了一些比特。

随机性的提取是基于至少包括量子贡献值S_J和外部贡献值S_ext的校准数据的。

在一些实施例中，所述校准数据(例如，所述量子贡献值S_J和外部贡献值S_ext)预先已被确定并且被存储在随机性提取器的存储器系统中。例如，可以在制造随机比特生成器期间已将所述校准数据确定，然后将其存储在存储器系统中。在这种情况下，当随机比特生成器在某些限制(例如，一些预定的温度限制)内使用时，该随机比特生成器可以产生令人满意的结果。

在一些其它实施例中，可以根据方差数据σ²(V)来确定所述校准数据(例如，所述量子贡献值S_J和外部贡献值S_ext)，所述方差数据指示从量子隧穿势垒获取的一个或多个原始比特样本的方差σ²如何作为量子隧穿势垒操作所处的电压V的函数而改变。

为了方便起见，在图5中示出了方差数据σ²(V)的示例。

同样，可以在制造随机比特生成器的过程中确定所述量子隧穿势垒的方差数据σ²(V)，然后将其存储在存储器系统中，以产生满意的结果，只要所述随机比特生成器在某些限制内使用。

然而，并不需要预先确定所述方差数据σ²(V)。实际上，在一些实施例中，可以通过改变所述量子隧穿势垒操作所处的电压同时测量一个或多个原始比特样本的方差来确定所述方差数据σ²(V)。

在任何情况下，所述量子贡献值S_J可以由等价于以下式的式给出：

其中，e表示电子电荷，V表示量子隧穿势垒操作所处的电压，k_B表示玻耳兹曼常数，T表示量子隧穿势垒操作所处的温度，如Spietz、Lafe等人在2003年的科学300.5627(Science 300.5627)的“使用隧道结的散粒噪声的初级电子测温法(Primary electronicthermometry using the shot noise of a tunnel junction)”中所提出的。

式(2a)对于频率f是有效的，使得hf＜＜k_BT，其中，h表示普朗克常数。实际上，在室温下，式(2a)对于f＜＜6THz的频率可以是有效的。工作在10GHz的频率可以增加指数级小的校正。

可以理解的是，式(1)不是线性式。因此，可以在至少三个电压值处测量方差σ²(V)，以推导出所述原始比特生成器的外部贡献值S_ext、温度T和有效增益A。例如，可以使用普通的最小二乘法来确定用于所述原始比特样本的方差σ²(V)的式，从该式可以推导出所述外部贡献值S_ext、温度T和有效增益A。实际上，一方面，可以选择两个大于k_BT/e的电压值，在这种情况中，所述原始比特样本的方差σ²(V)可以随电压V的变化而呈线性的：线性关系的斜率可以给出有效增益A，而y截距(y-intercept)产生外部贡献值S_ext。然后，一方面，可以通过在零电压处估计线性关系来推导出温度T。

如图5所示，基于上面的式(1)和式(2a)，在一些其它实施例中，可以根据所述原始比特样本的方差数据σ²(V)来确定所述外部贡献值S_ext。更具体地，在一些实施例中，当电压V为零位时，一个或多个所述原始比特样本的方差σ²(0)可以由等价于以下关系的关系式给出：

额外地或可替代地，当电压V_i大于给定电压阈值，V_thres＜V_i时，一个或多个所述原始比特样本的方差σ²(V_i)可以由等价于以下关系式的关系式给出：

在该示例中，给定原始比特样本和式(2a)、式(3)和式(4)的方差数据σ²(V)，可以确定所述校准数据，例如所述量子贡献值S_J和外部贡献值S_ext，因为已知外部贡献值S_ext不作为量子隧穿势垒操作所处的电压而改变。例如，参见Thibault、Karl等人在2015年的物理评论快报(Physical review letters)114.23中的“电子量子传输中的泡利-海森堡振荡(Pauli-heisenberg oscillations in electron quantum transport)”。

因此，通过得知量子贡献值S_J和外部贡献值S_ext中的每一个相对于彼此的相对贡献，可以确定出多少原始比特样本可以与量子贡献值相关联，以及多少原始比特样本可以与外部贡献值相关联。

在上述示例中，所述量子隧穿势垒操作在线性区域中，这允许使用欧姆定律V＝RI。因此，比V/I和导数dV/dI将是恒定的，并且将获取电阻R。然而，在一些其它实施例中，所述量子隧穿势垒可能并不操作在线性区域中，而是操作在非线性区域中，在这种情况下，比V/I和导数dV/dI不是恒定的。在本文中，只要凭借量子隧穿通过量子隧穿势垒发生了电荷的传输，所述量子贡献值S_j由下式给出：

其中，I表示通过量子隧穿势垒的电流。在本文中，当电压V为零位时一个或多个所述原始比特样本的方差σ²(0)与

I接近于零，并且当电压V_i大于给定电压阈值，V_thres＜V_i时一个或多个所述原始比特样本的方差σ²(V_i)可以由等价于以下关系式的关系式给出：σ²(V_i)＝2eI。如可以理解的是，例如，所述量子隧穿势垒的非线性可以来自非无限的量子隧穿势垒的势垒高度和/或取决于能量的电接触中的状态密度。

一种确定所述原始比特样本中的比特的多少是归因于量子贡献涉及确定量子贡献的最小熵H_∞，Q。根据一个定义，所述最小熵H_∞，Q可以由等价于以下关系式的关系式给出：

H_∞，Q＝-log₂p_max，Q (5)

其中，p_max，Q表示获取仅具有量子贡献的原始信号的瞬时电平的值中的一个值或其他值的最大概率。然而，通过等价于以下关系式的关系式来确定所述原始比特样本的方差σ²与量子贡献的方差

相关：

其中，γ表示量子贡献值与外部贡献值之间的比。例如，该比γ可以由下式给出：

得知所述原始比特样本的最小熵H_∞可以由等价于以下关系式的关系式给出：

H∞＝-log₂p_max (8)

其中，p_max是获取其他原始比特样本中的一个的概率中的最大概率。例如，参考图3，p_max将是获取原始比特数目011(或100)的概率。在实践中，经处理的原始信号可能无法与高斯曲线区分开。在这种情况下，如果I_max表示监测器(例如采样器)的最大值，则两个连续的整数对应于通过

分开的两个电流，其中，n是第一比特数目，并且最大的概率p_max和p_max，Q由等价于以下关系式的关系式给出：

因此，利用式(5)、式(6)、式(8)和式(10)，可以获取：

由于可以如上所述地确定原始比特样本的最小熵H_∞和比γ，因此也可以确定量子贡献的最小熵H_∞，Q。该量子贡献的最小熵H_∞，Q可以用于确定原始比特样本中的多少比特是归因于量子贡献的，因此其可以用作随机性提取器的输入。

例如，在给定的实施例中，对于n＝14比特和I_max＝3σ，可以获取每原始比特样本的用于12.7比特的原始数据的最小熵H_∞。对于电压噪声为1.4nV/根号Hz的放大器，所述外部贡献值S_ext可以被确定为2×10^-18V²/Hz。对于具有操作在V＝0.4V电压下的R＝50Ohms的电阻的量子隧穿势垒，所述量子贡献值S_J可以确定为2eVR＝6.4×10^-18V²/Hz，可以得到3.2的比γ。在这种情况下，最小熵H_∞，Q可以由12.5比特每原始比特样本给出。在这种情况下，可以使用0.3比特每原始比特样本的安全因子，这将导致从原始比特样本中提取随机性，以便保持12.2比特每初始14比特原始比特样本。在这样的实施例中，如果原始比特样本的第一比特数目n是14，则第二比特数目m可以被浮动到12。通过这样，将丢失总体上与令人满意的随机性质量相关联的0.2比特每原始比特样本。

由于在一些应用中随机比特生成器的吞吐量是重要的，因此丢失这些0.2比特每原始比特样本将是不方便的。为了避免这种情况，可以便利地使用联接器。在这样的实施例中，所述监测器被配置成提供具有源比特数目14的源比特样本，并且基于量子隧穿波动的最小熵H_∞，Q，确定12.2比特每源比特样本将被保持，所述联接器可以被用于将多个源比特样本彼此联接，以便最小化该损失。例如，彼此联接的源比特样本的数目可以对应于这样的数目：可以将要保持的每原始比特样本的比特数目倍增以产生整数。例如，在该特定示例中，如果要保持的每原始比特样本的比特数目是12.2比特，则将5、10或5的任意倍数乘以12.2比特将产生整数。因此，可能优选的是，任何原始比特样本是5、10或5的任意倍数的源比特样本的联接的结果，以避免丢失与令人满意的随机性质量相关联的比特。

可以利用多种不同的算法来执行所述随机性提取。这些算法的示例可以包括最低有效位方法、非通用哈希函数、Trevisan提取器和/或诸如Toeplitz哈希函数的通用哈希函数。在一些实施例中，所述Trevisan提取器和所述通用哈希函数可以是优选的，因为它们被认为是在信息理论上可证明的。参见Mansour、Yishay、Noam Nisan和Praston Tiwari在2013年的理论计算机科学107.1中的“通用哈希的计算复杂度(computational complexityof universal hashing)”；Ma，Xiongfeng等人在2013年的物理评论A87.6中的“用于量子随机数生成器的后处理：熵评估和随机性提取(Postprocessing for quantum random-number generators：Entropy evaluation and randomness extraction)”；以及Xu，Feihu等人在2012年的光学快讯(Optics express)20.11中的“基于量子相位波动的超快量子随机数生成(Ultrafast quantum random number generation based on quantum phasefluctuations)”。

随机性提取器的示例涉及使用Toeplitz-hash方法。在该实施例中，建立m×n的Toeplitz随机矩阵T。n个比特的每个原始比特样本与该随机矩阵T相乘，以给出m个比特的随机比特样本。在这种情况下，由量子贡献的最小熵H_∞，Q减去任意最终安全因子给出m，当然第二比特数目m小于n个比特的原始比特样本的最小熵H_∞。在该提取过程中，n-m个比特被丢弃。

例如，让我们考虑将100个14比特的源位样本彼此联接，以形成具有对应于1400的第一比特数目的原始比特数目。所述源比特样本的最小熵H_∞可以是12.7比特每源比特样本。量子信号的最小熵H_∞，Q可以是12.5比特每原始比特样本。取0.3比特每原始比特样本的安全因子，可以保持初始14比特中的12.2比特。因此，在该示例中，第二比特数目m对应于1200。可以注意到，彼此联接以形成原始比特数目的源比特样本的数目，即100，当与要保持的比特数目相乘时，即在本示例中为12.2时，产生为整数，并因此避免了与满意的随机性质量相关联的比特丢失。可以根据每秒所需的比特率和所需的安全级别来选择第一比特数目n和安全因子。可以利用n+m-1个随机比特的随机比特种子来生成随机矩阵T，该随机比特的随机比特种子可以从例如在短时间内保持每个原始比特样本的最低有效比特的原始比特样本中获取。其可以根据需要频繁地进行重新初始化，下面将参考图7描述其示例。

可以设想典型的量子隧穿势垒具有约600MHz的带宽。为了避免连续原始比特样本之间的不希望的相关性，如果使用令人满意的抗混叠滤波器，通常可以以1200MS/s的样本率来执行样本。例如，取样本率为800MS/s并且14个比特的第一比特数目，这可以产生11.2Gb/s的原始比特样本的生成率，因此产生9.6Gb/s的随机比特样本的生成率。在原型中，令人满意地使用了125MS/s的样本速率，其产生了1.75Gb/s的原始比特样本的生成速率。在该实施例中的限制特征通常是随机比特样本可以被传送到电子设备的速率。

可以设想放大器不仅将电压波动e(t)添加到它所测量的电压V_in，它还可以将波动电流i(t)添加到连接到其输入的部分中，因此在该放大器输出处测量V_out的电压可以由下式给出：

V_out＝G(V_in+e+Ri)

其中，G表示放大器的有效增益，R表示量子隧穿势垒的微分电阻R＝dV/dI。因此，所述放大器可以通过<e²>+R<ei>+R²<i2>对所测量的电压噪声作出贡献。第一项<e²>表示放大器的电压噪声，第三项R²<i²>表示进入到节点电阻的放大器的电流噪声，第二项R<ei>涉及电流和电压噪声之间的相关性(并且通常可以忽略)。该量取决于节点中的偏置电流(如果R工作)。当拟合总噪声对比偏置电压/电流时，可以考虑这一点。因此，利用具有低电流噪声的放大器和/或具有足够低电阻的节点，使得与第一项<e²>相比第三项R²<i²>可以忽略，这可以减少通常与放大器的电流噪声相关的不希望的影响。

图6是所述随机性提取器的示意图。在该实施例中，所述随机性提取器接收先前的校准数据和随后的校准数据，将所述先前的校准数据和所述随后的校准数据彼此进行比较，随后当所述先前的校准数据与所述随后的校准数据之间的差异超过容差值时产生警报。更具体地，所述先前的校准数据已经在第一时刻t₁确定，而所述随后的校准数据已经在第二时刻t₂确定，该第二时刻t₂在第一时刻t₁之后。因此，如此产生的警报可以提供关于所生成的随机比特样本是否是可信的诊断。

例如，在一个实施例中，可以在制造随机比特生成器的期间已将所述先前校准数据确定并将其存储在存储器系统中，可以以先前方差数据

的形式来提供所述先前校准数据。在该实施例中，可以实时地或者在测量方差

的同时通过改变量子隧穿势垒工作所处的电压来实时地确定随后的校准数据，可以以最后的方差数据的形式来提供所述随后的校准数据。

可以理解的是，如果在先前的方差数据和随后的方差数据

之间存在显著的差异，则可以指示随机比特生成器在一些预定的限制之外(例如在预定的温度范围之外)使用。此外，这种差异还可以指示随机比特生成器正在被第三方对手修改/改变，在这种情况下如此生成的警报可以证明这种警报是正确的。

可以理解的是，所述随机性提取器可以被配置成以给定频率或按需重复这种诊断。

现在参考图7，可以设想所述随机性提取可以涉及随机比特种子。例如，在该实施例中，提取可能需要随机矩阵，该随机矩阵是在实际从原始比特样本中提取出随机性之前利用随机比特种子生成的。例如，所述原始比特样本可以与随机矩阵相乘，以便在提取期间提供随机比特样本。尽管初始种子比特样本可能仅具有伪随机性，但是由于提取期间的混洗(shuffle)和/或去除比特，所得到的随机比特可以具有令人满意的随机性。然而，在该实施例中，所述随机性提取器通过将原始比特样本乘以所谓的伪随机矩阵来生成随机比特样本，此后，用于生成随机矩阵的随机比特种子可以被如此生成的随机比特样本所替代。在这种情况下，首先将是伪随机的随机矩阵可以快速地变成随机矩阵，这可以产生随机性增加的随机比特样本。

图8示出了结合有随机比特生成器的电子设备的示例。更具体地，该电子设备具有壳体，在该壳体内安装有随机比特生成器。可以理解的是，根据应用，所述电子设备可以是智能电话、平板计算机、电子***或借记卡、膝上型计算机、电视等。此外，在一些实施例中，可以以计算机、服务器等形式来提供所述电子设备，所述计算机、服务器等可以通过诸如因特网的网络经由有线和/或无线连接来进行访问。

如本实施例中所示，所述电子设备具有处理单元和存储器系统，所述处理单元和存储器系统是分离的并且通信地耦合(例如，有线和/或无线通信)到随机比特生成器。在一些其它实施例中，所述电子装置的处理单元和存储器系统可以作为随机性提取器，在此情况下，原始比特生成器可通信地耦合到所述电子装置的处理单元和/或存储器系统。

图9示出了原始比特生成器的示例。该原始比特生成器总体上包括板(未示出)，在该板上安装有量子隧穿势垒电路。如图所示，所述原始比特生成器的量子隧穿势垒电路可以包括量子隧穿势垒、一个或多个电容器、一个或多个电感器和一个或多个电阻器。提供有偏置源，用于改变量子隧穿势垒操作所处的电压。在该示例中，利用放大器对来自量子隧穿势垒电路的原始信号进行放大。利用监测器获取原始比特样本流，在本例中以采样器的形式来提供所述监测器，所述采样器对来自放大器的经放大的原始信号进行采样。可以理解的是，可以将所述量子隧穿势垒电路、偏置源、放大器和监测器安装在所述板上。例如，所述板可以是印刷电路板(PCB)，其机械地支撑所述部件并且经由从层压到非导电衬底上的铜片蚀刻的导电迹线将所述部件彼此电连接。

如上所述，可以以量子隧穿部件的形式来提供所述量子隧穿势垒，该量子隧穿部件具有以夹在用作导体的导电层之间的一个或多个绝缘层的形式的量子隧穿势垒。应注意的是，所述导电层例如可以由金属材料或半导体材料制成，而所述绝缘层可以由任何通过经典的反射来令人满意地抑制电子(或空穴)在其上进行自由传导的材料制成。所述绝缘层具有两个外部相对的面，每个面与两个导电层中相应的一个接触，并且两个导电层可以连接到所述偏置源的第一端子和第二端子。可以理解的是，可以将所述偏置源安装在所述板上并且将其固定地连接到所述量子隧穿势垒的导电层，或者单独提供该偏置源。

在该实施例中，所述偏置源可用于执行改变量子隧穿势垒操作所处的电压的步骤。所述放大器可适于执行对由量子隧穿势垒电路提供的原始信号进行放大的步骤。所述采样器可适于执行对所述原始信号进行采样的步骤，并且所述滤波器可适于执行对所述原始信号进行滤波的步骤。该滤波器可以连接到所述量子隧穿势垒，该量子隧穿势垒又连接到放大器，然后连接到采样器。当彼此可操作地连接时，所述原始比特生成器可以监测原始信号，以便获取原始比特样本。此外，所述偏置源可以固化被施加到量子隧穿势垒的电势差。该偏置源也可以是变化的，以便允许对原始比特样本的方差σ(V)进行板上测量。

图10A示出了根据另一实施例的原始比特生成器的另一示例。可以理解的是，为了降低外部贡献的影响，在一些实施例中可以有利地使用具有两个量子隧穿势垒电路的差分电路。如图所示，所述原始比特生成器具有差分放大器，其被配置成对分别由第一量子隧穿势垒电路和第二量子隧穿势垒电路提供的第一和第二原始信号之间的差进行放大。更具体地，在该示例中，所述第一量子隧穿势垒和第二量子隧穿势垒被公共偏置源偏置。在该实施例中，所述偏置源用于向第一量子隧穿势垒电路和第二量子隧穿势垒电路施加DC电流或电压。在本实施例中，在每个量子隧穿势垒电路中可以包括高通滤波器，以去除第一原始信号和第二原始信号中的低频分量。实际上，所述高通滤波器用于将DC与处于有限频率的波动分离，该波动是旨在进行隔离和检测的原始信号。仍然在该示例中，提供模-数监测器，以监测差分放大器的输出并且提供原始比特样本。利用这种配置可以抑制共同的外部贡献。

在图10B中示出了这种原始比特生成器的电路。如图所示，偏置源产生了用于偏置第一和第二量子隧穿势垒电路的电压V₀。电阻器R用于限制由第一和第二量子隧穿势垒所产生的隧穿电荷的电流。电感器和/或电容器将DC分量与原始信号的AC波动分离。在该示例中，所述电容器作为高通滤波器。在该实施例中，电压V₀上的可能的噪声对端部上的测量没有影响，因为原始比特生成器的两个分支彼此对称。它们可因此彼此抵消。

图10C示出了图10A的原始比特生成器的一对量子隧穿势垒的图像。如图所示，可以利用光刻技术使用公共接触来制造该对量子隧穿势垒。在所示的示例中，在衬底上沉积第一铝层(约200nm厚)，以形成连接到电路接地的公共接触GND。使用纯氧来氧化第一层，以形成约1nm厚的量子隧穿势垒。沉积第二铝层(约300nm厚)，以形成接触C1和接触C2。接触1和接触2中的每一个与第一层重叠，并且该重叠限定了量子隧穿势垒J1和J2。

可以理解的是，上述和所示的示例仅仅是示例性的。在一些实施例中，所述监测器可以被配置成随着电流的瞬时电平改变来识别跨过给定值的电流的瞬时电平的交叉，并且确定在两个连续交叉之间所经过的时间段。在这些实施例中，值被赋予所经过的时间段，并且形成原始比特样本。例如，所述监测器可以识别出电流的瞬时电平在第一时刻与零值交叉，然后在第二时刻与零值向后交叉。因此，被赋予原始比特样本的值将是第一时刻和第二时刻之间的差，反之亦然。类似地，当使用采样器时，可以通过识别给定值处的瞬时值的通道以及确定给定值处的电流的瞬时电平的两个连续通道之间所经过的时间段来获取源比特样本。在这些实施例中，还可以使用联接器来将源比特样本彼此联接，以提供原始比特样本。该范围由所附权利要求书指明。