[論文レビュー] Experimental demonstration of a high speed quantum random number generation scheme based on measuring phase noise of a single mode laser

Bing Qi, Yue-Meng Chi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2009

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、しきい値付近で動作する単モードダイオードレーザーにおける量子位相ノイズを測定することにより、高速な量子乱数生成装置（QRNG）を提示する。遅延自己混合干渉計にアクティブ位相安定化を施すことで、500 Mbit/sの生成レートを達成し、DIEHARDテストを全通り通過する真にランダムな数列を生成する。これは、実用的で高速な、量子的ランダムネスが裏付けられたソースを示している。

ABSTRACT

We present a high speed random number generation scheme based on measuring the quantum phase noise of a single mode diode laser operating at a low intensity level near the lasing threshold. A delayed self-heterodyning system has been developed to measure the random phase fluctuation.By actively stabilizing the phase of the fiber interferometer, a random number generation rate of 500Mbit/s has been demonstrated and the generated random numbers have passed all the DIEHARD tests.

研究の動機と目的

• 古典的カオスや擬似乱数アルゴリズムではなく、根本的な量子プロセスに基づいた高速で物理的に安全な乱数生成装置を開発すること。
• しきい値付近での単モードレーザーにおける量子位相ノイズが、高いエントロピーと低い古典的ノイズ汚染を有する真のランダムネスの源であることを実証すること。
• 特に高速量子鍵配送（QKD）への応用を想定し、既存の量子RNGを上回る乱数生成レートを達成すること。
• 標準的な統計的テスト（DIEHARD）を用いて出力のランダムネスを検証し、暗号システムにおける実用性を保証すること。

提案手法

• レーザーの発振しきい値付近での低出力運転により、自己放射の影響が支配的となるノイズ源として量子位相ノイズを分離する。
• 信号とその時間遅延コピーを混合することで、レーザー出力のランダムな位相揺らぎを測定する遅延自己混合干渉計を用いる。
• ファイバー干渉計のアクティブ位相安定化を実装し、環境変動の影響を低減し、測定安定性を向上させる。
• バランスドフォトダイオードからの検出電気信号を、高速オシロスコープを用いてリアルタイムでデジタル化し、ランダムビットを抽出する。
• デジタル信号にビット単位のXOR演算を適用し、残存する相関を低減してランダムネスを向上させる。
• システムをキャリブレーションし、主なノイズ源が量子的起源であることを保証し、古典的ノイズ寄与を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 しきい値付近での単モードレーザーにおける量子位相ノイズを、高速な真のランダムネスの源として利用可能か？
• RQ2 干渉計のアクティブ位相安定化が、ランダム数出力の安定性と品質にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ3 この方式は、厳密な統計的ランダムネステストを通過しながら、500 Mbit/sを超える乱数生成レートを達成可能か？
• RQ4 量子的起源の位相ノイズと古典的ノイズ源とを比較した場合、エントロピーと予測可能性の観点でどのような差異があるか？
• RQ5 単一光子検出器やショットノイズ制限のホモダイン検出を必要とせず、一般的な光学部品のみで高速QRNGを実装可能か？

主な発見

• 本方式は500 Mbit/sという高速なレートで乱数を生成することに成功し、単一光子検出に依存する既存の量子RNGよりも顕著に高速である。
• 生成されたビットストリームはDIEHARD統計的ランダムネステストを全通り通過し、高品質な出力を確認した。
• 位相ノイズの主な発生源は、発振しきい値付近での動作により量子的起源（自己放射）であると特定され、古典的カオス的寄与は最小限に抑えられた。
• 干渉計のアクティブ位相安定化が、環境変動の影響を抑制し、安定かつ高速な動作を可能にする上で不可欠であった。
• 単一光子検出器やショットノイズ制限のホモダイン検出を必要としないため、標準部品を用いた実装がより現実的で容易である。
• バランスド検出器とXOR後処理の併用により、残存相関が効果的に低減され、最終出力のランダムネスが向上した。