[論文レビュー] Device-independent quantum random number generator with a photon pair source

Valentina Caprara Vivoli, Pavel Sekatski+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2014

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、自己発光パラメトリック下変換（SPDC）を用いた光子対光源を用いた、装置に依存しない量子乱数生成器（QRNG）を提案する。陽に検出された単一光子状態と経路もつれ状態を用い、変位操作を組み合わせることで高いベル-CHSH不等式違反を達成する。この手法は、従来の偏光もつれ光子対方式に比べ、1回の実験で得られるエントロピーと乱数生成レートが顕著に高く、実験的不具合の非摂動的最適化モデルにより、検出効率がやや高いものの、その効率が著しく向上することを示している。

ABSTRACT

What is the most efficient way to generate random numbers deviceindependently using a photon pair source based on spontaneous parametric down conversion (SPDC)? We consider this question by comparing two implementations of a detection-loophole-free Bell test. In particular, we study in detail a scenario where a heralded single photon source (HSPS) is used to herald path-entangled states, i.e. entanglement between two spatial modes sharing a single photon and where nonlocality is revealed using photon counting preceded by small displacement operations. ar X iv :1 40 9. 80 51 v1 [ qu an tph ] 2 9 Se p 20 14 Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 2 We start by giving a theoretical description of such a measurement. We then show how to optimize the Bell-CHSH violation through a non-perturbative calculation, taking the main experimental imperfections into account. We finally bound the amount of randomness that can be extracted and compare it to the one obtained with the conventional scenario using photon pairs entangled e.g. in polarization and analyzed through photon counting. While the former requires higher overall detection efficiencies, it is far more efficient in terms of both the entropy per experimental run and the rate of random bit generation. PACS numbers: 03.65.Ud Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 3

研究の動機と目的

• 測定装置を信頼しない条件下でランダムネスのセキュリティを保証する装置に依存しない量子乱数生成器（QRNG）を開発すること。
• 経路もつれ単一光子状態と変位操作を用いたベルテスト実装と、従来の偏光もつれ状態を用いた実装の2つの光子対光源ベースのベルテスト方式の効率を比較すること。
• 検出器効率や状態準備誤差などの実験的不具合を非摂動的モデル化することで、ベル-CHSH不等式違反を最適化すること。
• 2つの方式間での乱数生成レートと1回の実験ごとの最小エントロピーを定量化・比較すること。
• 経路もつれ単一光子方式は検出効率がやや高いが、より優れたランダムネス効率を示すことを確立すること。

提案手法

• 陽に検出された単一光子源（HSPS）を用いて、1つの光子が2つの空間モードに重ね合わせられた経路もつれ状態を生成する。
• 空間モードに小さな変位操作を施した後、光子数検出により非局所性を明らかにし、検出器の抜け道を回避するベル-CHSHテストを実現する。
• 検出器効率や暗電流などの実際の不具合を非摂動的理論枠組みでモデル化・最適化し、ベル-CHSH不等式違反を高める。
• 観測されたベル不等式違反と検出効率に基づき、乱数生成レートと1回の実験ごとの最小エントロピーを計算する。
• 従来の偏光もつれ光子対方式を標準的光子数検出法で分析した結果と、定量的に比較する。
• 装置に依存しないセキュリティ基準を用いて、抽出可能なランダムネスの理論的上限を導出し、装置の信頼性に依存せずにランダムネスが認証されることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPDCに基づく光子対光源を用いた装置に依存しないQRNGは、効率的に実現可能か？
• RQ2 経路もつれ単一光子方式のランダムネス生成効率は、従来の偏光もつれ方式に比べてどの程度優れているか？
• RQ3 経路もつれ構成における実験的不具合（検出器効率、状態準備誤差など）を想定した場合、ベル-CHSH不等式違反はどの程度最適化可能か？
• RQ4 経路もつれ方式が、1回の実験あたりのランダムネスを向上させるために、最小でどの程度の検出効率が必要か？
• RQ5 変位操作と陽に検出された単一光子を用いることで、高いエントロピーとビット生成レートが達成可能か、かつ検出要求が高めでもその恩恵を受けるか？

主な発見

• 経路もつれ単一光子方式は、検出効率がやや高いものの、従来の偏光もつれ方式に比べ、1回の実験あたり顕著に高いエントロピーを達成する。
• 提案手法により、陽に検出された経路もつれ状態に対する変位に基づく測定が可能となり、検出器の抜け道を回避するベルテストが実現され、装置に依存しないランダムネス認証が保証される。
• 実験的不具合の非摂動的モデル化により、予測されるベル-CHSH不等式違反が著しく向上し、より高いランダムネス抽出が可能になる。
• 検出効率の要求が高めでも、相関強度の向上とノイズの低減により、経路もつれ方式は偏光ベース方式に比べ、乱数ビット生成レートで優位性を示す。
• 観測されたベル不等式違反に基づき、抽出可能なランダムネスの理論的境界を導出し、装置に依存しないセキュリティと効率の向上を確認した。
• 結果として、経路もつれ単一光子源は、従来の偏光もつれ源よりも、装置に依存しないQRNGの実装に効率的であることが示された。