[論文レビュー] Experimental quantum randomness generation invulnerable to the detection loophole

Gustavo Cañas, Jaime Cariñe+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、弱いコherent状態と標準の単一光子検出器を用いて、低効率検出条件下でも効果的に動作する、新たなデバイス非依存型量子乱数生成プロトコルを提案する。この手法はデバイス内部の仮定に依存せず、現実的な実験条件下でも安全な乱 randomness 発生を実現し、実用的で高セキュリティな QRNG の実現を可能にする。

ABSTRACT

Random numbers are essential for multiple applications, including cryptography, financial security, digital rights management and scientific simulations. However, producing random numbers from a finite state machine, such as a classical computer, is impossible. One option is to use conventional quantum random number generators (QRNGs) based on the intrinsic uncertainty of quantum measurement outcomes. The problem in this case is that private randomness relies on assumptions on the internal functioning of the measurement devices. Device-independent QRNGs not relying on devices inner workings assumptions can be built but are impractical. They require a detection efficiency that, so far, has only be achieved with trapped ions and with photons detected with transition-edge superconducting sensors. Here we introduce a novel protocol for quantum private randomness generation that makes no assumption on the functioning of the devices and works even with very low detection efficiency. We implement the protocol using weak coherent states and standard single-photon detectors. Our results pave the way towards a second generation of more secure practical QRNGs.

研究の動機と目的

• デバイスの動作に関する仮定に依存する従来の量子乱数生成器（QRNG）の限界を解消すること。
• 極めて高い検出効率を要する既存のデバイス非依存型 QRNG の現実的でない点を克服すること。
• 低効率検出条件下でも実用的かつ安全に動作する、実験的条件下で機能する QRNG プロトコルを開発すること。
• 弱いコherent状態や標準の単一光子検出器といった市販部品を用いて、デバイス非依存型の乱 randomness 発生を実現すること。

提案手法

• 高精度な量子状態を必要とせず、弱いコherent状態を入力として用いることで量子乱 randomness を生成する。
• 特殊な高効率検出器ではなく、入手可能で広く利用可能な標準の単一光子検出器を用いる。
• 測定結果の統計的検証に依存することで、検出器の非効率性に対してもロバストであるように設計されている。
• 測定結果における固有の量子不確実性を活用し、デバイス内部の動作に関する仮定なしにプライベートな乱 randomness を生成する。
• デバイスのキャリブレーションや動作に依存しない統計的検定を通じて、乱 randomness の検証によりセキュリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低効率検出条件下でも動作するデバイス非依存型 QRNG を構築することは可能か？
• RQ2 測定デバイスの内部動作に関する仮定なしに、プライベートな乱 randomness を生成することは可能か？
• RQ3 標準の単一光子検出器を安全でデバイス非依存型の乱 randomness 発生プロトコルで効果的に使用することは可能か？
• RQ4 現実的な実験的制約下でも、このプロトコルはセキュリティと乱 randomness を維持するか？

主な発見

• プロトコルはデバイス動作に関する仮定に依存せず、プライベートな乱 randomness を効果的に生成した。
• 低効率検出条件下でも効果的に動作し、従来のデバイス非依存型 QRNG の主な限界を克服した。
• 弱いコherent状態と標準の単一光子検出器の使用により、既存技術で実用的な実装が可能になった。
• 現実的な実験的条件下でも安全な乱 randomness 発生を実現し、実世界への導入に適したものとなった。