具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明與一種并行隨機數產生方法有關，尤其是一種具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法，應用于蒙特卡洛仿真、大規(guī)模并行計算及保密通信領域。
【背景技術】
[0002]蒙特卡羅仿真在核物理、計算化學、生物醫(yī)學、金融工程學、宏觀經濟學、氣象學、社會學等領域有著重要應用。
[0003]隨機數是蒙特卡羅仿真的基石，其質量決定蒙特卡羅仿真的精確程度，其速率制約仿真速度；并且仿真中消耗隨機數的量越多，對隨機數的質量要求越高。
[0004]隨著計算模型日益復雜和計算量不斷增加，現行蒙特卡羅仿真一般采用多個處理器并發(fā)地執(zhí)行，即“并行蒙特卡羅仿真”，其面臨的首要問題就是多路并行隨機數的高速產生，稱作“并行隨機數產生方法”。
[0005]一個優(yōu)秀的并行隨機數產生方法必須滿足以下條件:1)不含序列內相關性。即每個處理器上所用的隨機數序列必須具有高質量的隨機特性；2)不含序列間相關性。即多個并行處理器所用的多路隨機數序列之間要相互獨立；3)具有可擴放性。即根據實際需要，隨機數發(fā)生器可同時產生出任意城各獨立的隨機數序列。
[0006]利用計算機，通過一定的并行化算法對偽隨機數發(fā)生器進行處理，可方便地獲得并行隨機數，稱為“并行偽隨機數產生方法”。該類方法具有高速率、低成本、易構建等優(yōu)點，但存在著致命缺陷，即該類方法是基于種子和確定性算法實現的，具有周期性，超過一定長度將會完全重復一這一“阿喀琉斯之踵”嚴重限制了其大量產生隨機數的能力，局限了其在大規(guī)模并行計算領域的應用。
[0007]基于自然界隨機現象構建并行隨機數發(fā)生器，可提供非周期、不可預測、無限數量的真隨機數，稱作“并行真隨機數產生方法”。早期人們利用一個二維探測器陣列對激光器散斑分布進行探測和編碼實現并行真隨機數的產生[為吵7.0pt.25(1): 26-30 (1986)]。但遺憾的是，受限于傳統(tǒng)物理熵源帶寬低且可擴放性差，該類方法碼率處于Mb/s量級，與實際需求相去甚遠。
[0008]近年來，隨著高帶寬光子熵源的出現，真隨機數發(fā)生器取得了跨越式發(fā)展，速率可達Gb/s量級。典型的實現方法有:I)基于放大自發(fā)輻射光噪聲(ASE)提取真隨機數1pt.Express 18(23)，23584 - 23597, 2010] ;2)基于混沌激光提取真隨機數{Opt.Express,21(17): 20452-20462,2013] ;3)基于量子真空態(tài)獲取真隨機數[為吵7.Phys.Lett.98(23): 231103，2011]。但是，上述真隨機數產生方法雖具有較高碼率，卻屬于“串行”隨機數產生器，只能輸出一路隨機碼序列，不符合高質并行真隨機數的要求，無法應用于大規(guī)模蒙特卡洛仿真及并行計算領域。
[0009]上述利用并行偽隨機數產生方法能快速產生隨機數，但無法克服算法本身固有周期性的限制，不具備產生大量隨機數的能力；利用傳統(tǒng)并行真隨機數產生方法擁有產生大量無周期隨機數的能力，但受限于隨機數信號源帶寬，無法實現真隨機數的快速產生；近年來發(fā)展起來的新型真隨機數產生方法雖具有Gb/s的快速隨機數產生能力，但卻只能輸出一路隨機數，可擴放性極差。
[0010]事實上，當前蒙特卡羅仿真在并行環(huán)境中的計算量至少是串行情形下的10?15倍，要求相應隨機數的產生速度和數量均需大幅度提升。根據2014年“國際TOP 500組織”公布的最新全球超級計算機500強榜單，當前并行計算機已擁有并發(fā)執(zhí)行數千、甚至上萬只處理器的能力，要求具有與之相匹配的可擴性能力的并行真隨機數發(fā)生器。因此，發(fā)展與當前需求相匹配、兼具超強可擴放性及快速產生大量隨機數能力的并行真隨機數發(fā)生方法已迫在眉睫。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法，以解決現有技術中存在的碼率不足及可擴放性差的問題。
[0012]本發(fā)明實現上述目的所采用的技術方案如下。
[0013]一種具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法，其所述方法步驟如下:
(1)利用光學設備產生出具有超寬光譜F、重復頻率定、峰值功率大幅度起伏的超短脈沖序列；
(2)利用陣列波導光柵對步驟(I)獲得的超短脈沖序列進行光譜切割，從而獲得城各獨立無關、重復頻率廂1定、峰值功率大幅度起伏的窄帶超短脈沖序列；
(3)利用M色散光纖對步驟(2)中產生的Λ路窄帶超短脈沖序列進行時域上的展寬，得到脈寬較寬的窄帶短脈沖序列；
(4)利用Λ?高帶寬光電轉換設備將步驟(3)中產生的Λ路窄帶短脈沖序列轉換為電信號，進而進入#高帶寬電子模數轉換器，通過設置電子模數轉換器的比較閾值及同步時鐘，將窄帶脈沖序列的峰值功率起伏轉換成相應的高、低電平，從而實現重復頻率為/6勺Λ路獨立真隨機碼產生。
[0014]在上述技術方案中，所述光學設備是由保偏光纖依次串接主動鎖模脈沖激光器、脈沖光放大器、高非線性色散位移光纖和反常色散光纖構成；所述F的取值范圍在1300~2000nm之間；所述/6勺取值范圍在10 GHz ~ 60 GHz之間；所述Λβ勺取值范圍在1000~ 10000 之間。
[0015]實施本發(fā)明上述所提供的一種具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法，與在先并行隨機數產生方法相比，其優(yōu)點與積極效果在于:
第一，所產生的隨機數序列不存在周期性，可提供無限數量的真隨機數序列，克服了并行偽隨機數發(fā)生技術固有周期性的局限。
[0016]第二，單路碼率可達十Gbps量級，并能同時輸出至少浪1000路的獨立、并行真隨機碼，將現有并行真隨機數發(fā)生器的可擴放性至少提高了 3~4個數量級，能極大滿足了現代大規(guī)模并行計算及高速保密網絡通信的需要。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法的流程圖。
[0018]圖2是實現本方法的并行真隨機數發(fā)生器的結構示意圖。
[0019]圖中:1:主動鎖模脈沖激光器；2:脈沖光放大器；3:高非線性色散位移光纖；4:反常色散光纖；5:陣列波導光柵；6:色散補償光纖陣列；7:光電探測器陣列；8:模數轉換器陣列。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖與實施實例對本發(fā)明作進一步的描述，但該實施實例不應理解為對本發(fā)明的限制。
[0021]圖1所示實施本發(fā)明上述所提供的一種具有超強可擴放性的高速并行真隨機數產生方法的流程圖，具體產生方法步驟如下:
步驟一、利用主動鎖模脈沖激光器輸出脈寬約1.6 ps、重復頻率10 GHz、波長為1550nm的超短光脈沖序列，經脈沖光放大器作用后，其峰值功率被增大到2 kW ;以該超短脈沖信號作為泵浦源經保偏光纖進入到一段長5 m、非線性系數為25/W/km高非線性色散位移光纖3 (零色散點位于1550 nm處)，受高非線性色散位移光纖3中自聚集、自相位調制、交叉相位調制、四波混頻和受激拉曼散射等效應的共同作用，泵浦脈沖的光譜中會產生許多新的頻率成分，使得輸出脈沖序列的光譜寬度遠大于入射脈沖的譜寬，最終可產生光譜寬度達1.3 μ m、重復頻率/MO GHz的超短光脈沖信號；由于噪聲信號的存在，此時的超連續(xù)譜光脈沖信號峰值功率會有微弱起伏，但遠不足以滿足后續(xù)電子量化系統(tǒng)的要求；為了進一步增強上述超連續(xù)譜光脈沖峰值功率的起伏，這里引入一段長10 m的反常色散光纖，原始的光脈沖信號在反常色散光纖傳輸過程中，噪聲