[論文レビュー] A Comprehensive Review of Quantum Random Number Generators: Concepts, Classification and the Origin of Randomness

Vaisakh Mannalath, Sandeep Mishra+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

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ひとこと要約

本包括的なレビューでは、量子乱数生成器（QRNG）を物理的原理と技術的実装に基づいて分類し、ランダムネスの源を基礎的な量子公理—例えば非可換性、文脈性、もつれ、非局所性、同一粒子の区別不能性—にさかのぼる。異なるQRNGタイプが、古典的システムでは達成できないデバイス・インデペンデントまたはセミ・デバイス・インデペンデントのセキュリティを提供する、異なる層の量子非古典的性質に依存していることが明らかになった。

ABSTRACT

Random numbers are central to cryptography and various other tasks. The intrinsic probabilistic nature of quantum mechanics has allowed us to construct a large number of quantum random number generators (QRNGs) that are distinct from the traditional true number generators. This article provides a review of the existing QRNGs with a focus on their various possible features (e.g., device independence, semi-device independence) that are not achievable in the classical world. It also discusses the origin, applicability, and other facets of randomness. Specifically, the origin of randomness is explored from the perspective of a set of hierarchical axioms for quantum mechanics, implying that succeeding axioms can be regarded as a superstructure constructed on top of a structure built by the preceding axioms. The axioms considered are: (Q1) incompatibility and uncertainty; (Q2) contextuality; (Q3) entanglement; (Q4) nonlocality and (Q5) indistinguishability of identical particles. Relevant toy generalized probability theories (GPTs) are introduced, and it is shown that the origin of random numbers in different types of QRNGs known today are associated with different layers of nonclassical theories and all of them do not require all the features of quantum mechanics. Further, classification of the available QRNGs has been done and the technological challenges associated with each class are critically analyzed. Commercially available QRNGs are also compared.

研究の動機と目的

• 物理的原理と技術的実装に基づいて、既存の量子乱数生成器（QRNG）を体系的に分類すること。
• 粒子の非可換性から同一粒子の区別不能性に至る、量子力学的公理の階層を通じて、QRNGにおけるランダムネスの源を調査すること。
• 特にデバイス独立性と認証に関する観点から、異なるQRNGアーキテクチャの実現可能性とセキュリティのトレードオフを評価すること。
• 国際的なランダムネス基準への適合性を含め、商用で入手可能なQRNGを速度、インターフェース、および基準適合性の観点から比較すること。
• 速度、携帯性、セキュリティレベルといったアプリケーション固有のニーズに応じた最適なQRNGの選定フレームワークを提供すること。

提案手法

• 光子系（単一光子、真空ノイズ、ASE）、原子系（スピンノイズ）、電子系（ショットノイズ、放射性崩壊）の物理的メカニズムに基づいてQRNGをカテゴリに分類する。
• 非可換性と不確実性（Q1）、文脈性（Q2）、もつれ（Q3）、非局所性（Q4）、同一粒子の区別不能性（Q5）の5つの階層的量子公理を通じて、ランダムネスの源を分析する。
• 異なるQRNGタイプが、すべての量子的特徴を必要としない、非古典的性質の異なる層に依存していることを示すために、簡易な一般化確率理論（GPT）を用いる。
• ランダムネス認証のためのデバイス独立型およびセミ・デバイス独立型プロトコルを評価し、悪意あるモデルに対するセキュリティを強調する。
• NIST SP800-22、DieHarder、TESTU01、BSI AIS 31、METAS/CTL認証を含む、標準化されたベンチマークを用いて商用QRNGを比較する。
• 特に光子系および原子系システムにおいて顕著な、速度制限、検出器効率、環境ノイズなどの技術的課題をレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるQRNGアーキテクチャにおけるランダムネスの背後にある基本的量子原理は何か？
• RQ2 5段階の階層的量子公理（Q1–Q5）は、QRNGにおける真のランダムネス生成にどのように寄与するか？
• RQ3 QRNGはどの程度までデバイス独立型またはセミ・デバイス独立型のセキュリティを達成できるのか？その性能上のトレードオフは何か？
• RQ4 光子系、原子系、電子系などの物理的実装のうち、実用的導入に適した速度、信頼性、認証性のバランスを最も満たすのはどれか？
• RQ5 商用で入手可能なQRNGは、ビットレート、インターフェース、国際的なランダムネステスト基準への適合性の観点で、どのように比較できるか？

主な発見

• 光学系における真空ノイズまたは増幅自発放射（ASE）に基づくQRNGは、最も高いビットレートを達成しており、商用製品では最大2 Gbpsに達している。
• デバイス独立型QRNGは、最も強固なセキュリティ保証を提供するが、ベル不等式の違反ともつれ状態の検証が必要なため、生成レートが低くなる制限がある。
• QRNGにおけるランダムネスの源は一様ではない。たとえば、ショットノイズQRNGでは不確実性（Q1）が、特定の光子系スキームでは文脈性（Q2）が、デバイス独立型プロトコルでは非局所性（Q4）がそれぞれ関与している。
• 商用QRNGの性能には顕著な差がある：IDQのQuantis-PCIe-240Mは240 Mbps、QusideのPCLe Oneは2 Gbps、QuitessenceのqStream 100はイーサネット経由で1 Gbpsを達成している。
• 認証適合性にはばらつきがある：一部のデバイスはNIST SP800-22/90B、BSI AIS 31、またはMETAS基準を満たしており、暗号的用途における高い信頼性を示している。
• マイクロチップ型およびUSBベースのQRNGは、高い携帯性と使いやすさを備えており、非専門家ユーザーに適している。一方、PCIeおよびイーサネットインターフェースは、高スルーレート用途に好まれている。