[論文レビュー] Fast all-optical random number generator

Jiamin Zhao, Pu Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Optical Network Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、2つの偏光モードを持つ二モード垂直キャビティ表面発光レーザー（VCSEL）を二安定状態で動作させ、周期的な再起動によって自己発生ノイズによるランダムなモード遷移を誘発することで、高速な全光学的乱数生成器を提案する。この手法により、検証済みのランダム性を有する連続2.5 Gb/sの乱数ビットストリームが得られ、スケーラビリティと統合性を考慮した完全にモノリシックな全光学的ソリューションを提供する。

ABSTRACT

We propose a simple and all-optical method for fast random number generation based on the laser mode hopping. Through periodically restarting a two-mode laser operating in the bistable state, a random number stream can be generated due to the spontaneous emission noise. To validate the feasibility of this method, we perform a theoretical simulation using the common vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with two polarization modes. Numerical results demonstrate that fast 2.5 Gb/s random number streams can be continuously obtained with verified randomness. This scheme provide a fully monolithic solution for random number generator, due to its simple and all-optical structure.

研究の動機と目的

• 電子的ボトルネックのない高速で全光学的な乱数生成器の開発。
• 二安定状態の二モードレーザーにおける自己発生ノイズを活用し、真のランダム性を実現。
• 2.5 Gb/sを超えるデータレートで連続した乱数ビットストリームを生成。
• スケーラビリティと統合性を考慮し、電子部品を一切使用しない完全なモノリシックソリューションの提供。

提案手法

• 2つの直交する偏光モードを持つ二モード垂直キャビティ表面発光レーザー（VCSEL）を、二安定状態で動作させる。
• 周期的な光ポンピングを適用してレーザー状態を再起動させ、2つのモード間でのランダムな遷移を誘発する。
• モード切り替え中の自己発生ノイズを、ランダム性の内在的源泉として活用する。
• 電子的信号処理を一切行わず、単純な全光学的制御機構により再起動サイクルをトリガーする。
• 二モードVCSELのダイナミクスを記述するため、レート方程式モデルを用いてシステムをシミュレートする。
• 生成されたビットストリームのランダム性を、数値シミュレーションおよび統計的検定により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二安定状態の二モードVCSELにおける自己発生ノイズを、真にランダムなビットストリームの生成に活用できるか？
• RQ2 この手法を用いた全光学的乱数生成の最大達成可能データレートは何か？
• RQ3 電子的干渉なしに、システムは連続的かつ高速な乱数ビットストリーム生成を維持できるか？
• RQ4 周期的な再起動は、生成された乱数の統計的品質およびエントロピーにどのように影響するか？
• RQ5 提案された方式は完全にモノリシックであり、オンチップ統合に適しているか？

主な発見

• 提案手法により、2.5 Gb/sの連続した乱数ビットストリームが正常に生成された。
• 生成されたビットストリームのランダム性は、数値シミュレーションおよび統計的検定により検証された。
• システムは光学部品のみに依存しており、電子的信号処理や後処理を一切必要としない。
• 自己発生ノイズをエントロピー源として使用することで、真のランダム性が保証された。
• 方式は完全にモノリシックであり、1チップ上でのコンactかつスケーラブルな統合が可能である。
• 二安定状態の二モードVCSELは、高速乱数生成のための安定的かつ再現可能なプラットフォームを提供する。