量子隨機數(shù)發(fā)生器之切爾諾貝利骰子

描述

介紹

描述

切爾諾貝利骰子是一種量子隨機數(shù)發(fā)生器 [0]，它使用來自弱放射性樣本的核衰變作為熵源。你可以在這里查看GitHub倉庫和所有構建所需的文件：

https://github.com/nategri/chernobyl_dice

它由四個主要部分組成：

• Arduino Nano 微控制器
• 蓋革計數(shù)器
• 六個鈾玻璃彈珠
• 數(shù)碼管顯示

使用以下算法將蓋革計數(shù)器事件（“點擊”）轉(zhuǎn)換為隨機位：

1. 在環(huán)形緩沖區(qū)中，對于每個毫秒記錄，要么是 0 要么是 1，具體取決于蓋革事件是否發(fā)生

2. 使用 von Neumann 的方法 [0] 對這個 0 支配的流進行初始去偏

3. 通過將上一步中生成的位與自設備開機以來經(jīng)過的 4 微秒間隔的 mod2 進行異或運算，進一步消除偏置

在每次蓋革事件中，鈾玻璃樣品都會被一系列紫外線 LED 照亮，從而發(fā)出明亮的綠色熒光。這與樣品的放射性無關，但它看起來確實很酷。

手術

該設備具有三種操作模式，可通過旋轉(zhuǎn)開關進行選擇：

時鐘模式

顯示當前時間，蓋革板未通電。可以通過打開和關閉撥動開關來設置時間（“16”撥動增加小時，“8”撥動增加 10 分鐘，“4”撥動增加 1 分鐘，“1”撥動重置秒).

串流模式

重復生成由切換指定大小的隨機數(shù)（如果未設置切換，則為 0-255 的隨機字節(jié)）。在此模式下生成的數(shù)字通過 USB 通過串行傳輸。此模式還有一個“turbo”設置以方便統(tǒng)計測試，可以通過按住按鈕啟用。當啟用“turbo”時，顯示屏上的 LED 會指示位生成，并且 Geiger“咔嗒”聲將無聲。

骰子模式

在骰子模式下，隨機數(shù)生成是通過按鈕啟動的，要生成的隨機數(shù)的大小由切換開關的總和設置（未設置開關，設備將生成 0-255 范圍內(nèi)的隨機字節(jié)）。按一次生成號碼，再按一次清除顯示。要生成的號碼的大小以閃爍的數(shù)字顯示。

統(tǒng)計表現(xiàn)

需要進一步測試以確認結果的一致性，但目前切爾諾貝利骰子能夠生成 1.5+ 兆位的文件，該文件通過了 NIST 統(tǒng)計測試套件 [1] 的 Python 實現(xiàn)。這意味著切爾諾貝利骰子可能是一個非常公平的骰子。

SUMMARY
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monobit_test  0.279698915238  PASS
frequency_within_block_test 0.404035783453  PASS
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SUMMARY
-------
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dft_test  0.156504142574  PASS
non_overlapping_template_matching_test  1.00000015958 PASS
overlapping_template_matching_test  0.629208901365  PASS
maurers_universal_test  0.938296605093  PASS
linear_complexity_test  0.0880093291441 PASS
serial_test 0.131826155057  PASS
approximate_entropy_test  0.137234909215  PASS
cumulative_sums_test  0.112328349057  PASS
random_excursion_test 0.17207234069 PASS
random_excursion_variant_test 0.299605480729  PASS

設備生成的兩個212667字節(jié)隨機二進制序列（“rand.binary.1”和“rand.binary.2”）的統(tǒng)計測試套件結果。專家注意：第一個序列的最后兩個測試生成消息：“J 太?。↗=181 < 500），結果不可靠”，因此對于該數(shù)據(jù)集，這些測試可能會被忽略。

該目錄statistical_testing包含一些用于從設備評估和收集數(shù)據(jù)的實用程序，包括示例隨機二進制數(shù)據(jù)文件rand.binary.1和rand.binary.2.

CAD制圖

可以通過以下 URL 查看和下載該設備的 Fusion 360 CAD 繪圖：

https://a360.co/2OeFT1n

感謝以下 GrabCAD 用戶提供的模型：

• 亞歷克斯（數(shù)碼管）
• 邁克·史密斯（Arduino Nano）
• Dragos Ionescu （各種排針）

概述和零件清單

警告：這些說明和資源未經(jīng)完善，并且未經(jīng)測試。這是一個面向高級制造商的項目，您應該充分期待在構建自己的切爾諾貝利骰子時進行一些冒險！也就是說：如果您遇到麻煩，請給我發(fā)消息，我會盡力幫助您并改進說明。

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以下是組裝所需步驟的粗略概述：

1. 從 GitHub 存儲庫中的文件打印或制作以下自定義部件

• 外殼（使用 3D 打印機或 3D 打印服務）
• 邏輯、數(shù)碼顯示和控制面板定制 PCB（使用 OSHPark 等電路板制造服務）
• 不銹鋼前面板（使用 OSHCut 等服務）
• 亞克力背板（使用 Sculpeo 等服務）

2. 訂購其他組件（參見零件列表中的 URL）

3. 將黃銅支架嵌入外殼（這就是前后面板和定制 PCB 的安裝方式）

提示

• 在將它們壓入之前，應將一滴氰基丙烯酸酯（強力膠）放入外殼的支架孔中（十字頭螺絲刀的尖端可以很好地完成這項任務）
• 如果頂部的一些孔從打印機出來時有點變形，那么可以通過在孔中擰動較大的十字頭螺絲刀直到孔的頂部足夠?qū)拋磔p松加寬它們。

4. 使用構建照片作為指南組裝定制 PCB 和“exixe”數(shù)碼管驅(qū)動板

提示

• 用于數(shù)碼管驅(qū)動器 PCB 的 Nixie Display Board 上的母頭可以僅使用四個長母頭條組裝（例如，無需單獨連接 16 個 7 針母頭---見照片）
• “CS”8 針公頭目前是緊密配合的，因此您可能需要使用尖嘴鉗將針腳推過電路板
• 對于控制面板 PCB，您可以暫時將撥動開關安裝在前面板，然后將 PCB 壓在開關背面的頂部以確保對齊良好——然后您可以將整個板和撥動組件從前面板焊接它，甚至將它焊接到位然后將其拉下
• 提供文件“nixie_holder.stl”作為放置數(shù)碼管的有用位置，同時將它們焊接到“exixe”驅(qū)動板上

5. 將丙烯酸背板和面板安裝 USB 電纜連接到外殼后部

6. 在外殼內(nèi)安裝定制 PCB 并進行布線（參見布線示意圖和構建照片）

7. 部分拆卸旋轉(zhuǎn)開關以將其連接到“鎖板”(lock_plate.stl)

8. 對不銹鋼前面板進行任何必要的整理

提示

• 一些用于撥動和開關的安裝孔可能需要加寬（為此使用圓形文件）
• 激光切割零件的表面光潔度可以通過使用 ~300 目砂紙打磨來改善（首先在背面測試）

9. 在前面板上安裝開關和 PCB 組件、帶支架的 LED 組件、旋轉(zhuǎn)開關和鎖板組件以及按鈕

小費

• 將 LED 連接到燈座時，滴一滴氰基丙烯酸酯（強力膠）以防止 LED 從燈座前部掉落

10. 進行控制面板的接線（見接線示意圖和搭建照片）

11. 將八個數(shù)碼顯示驅(qū)動板安裝到數(shù)碼顯示板的母頭中

12. 將控制面板連接到邏輯板

13. 將前面板安裝到外殼上，注意確保旋轉(zhuǎn)開關鎖板上的孔與放射性樣品架前部的左上角對齊

支架尺寸指南

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注意：對于較大的內(nèi)部支架距離（例如數(shù)碼顯示器支架），可以堆疊兩個支架以獲得所需的距離。

接線圖

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如何連接切爾諾貝利骰子的內(nèi)部接線。

構建照片

插入支架的外殼

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您可以忽略外殼左側的白色面包板。這些有助于項目的早期迭代，并且不需要組裝。

邏輯板安裝

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請注意，UV LED 陣列的電線在邏輯板下方。

數(shù)碼管接線

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數(shù)碼顯示板安裝和邏輯板接線

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蓋革板安裝

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注意：您必須將 JMP2 跳線拉到 Geiger 板的中心附近（這會關閉板的內(nèi)置揚聲器——我們希望這些咔嗒聲是可選的，而是由固件控制）。單擊此處查看大圖。

鈾樣品架下半部細節(jié)

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UV LED 和壓電揚聲器使用氰基丙烯酸酯（強力膠）粘合劑粘合安裝到位。當安裝上半部分時，鈾玻璃彈珠將被機械固定到位。單擊此處查看大圖。

鈾樣品架下半安裝

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中間支座用螺母固定在底部。單擊此處查看大圖。

鈾樣品架上半安裝

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單擊此處查看大圖。

控制面板電路板有線

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單擊此處查看大圖。

控制面板電路板接線詳圖

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致謝

非常感謝 Emily Velasco ( @MLE_Online ) 對不銹鋼表面打磨的建議，以及對這個項目的熱情。

參考

[0] “量子隨機數(shù)發(fā)生器?！?M. Herrero-Collantes 和 JC Garcia-Escartin。https://arxiv.org/abs/1604.03304

[1] “用于加密應用程序的隨機和偽隨機數(shù)生成器的統(tǒng)計測試套件”。https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-22/rev-1a/final