[論文レビュー] High-speed Source-Device-Independent Quantum Random Number Generator on a Chip

Tommaso Bertapelle, Marco Avesani+12 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2023

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、20 Gbpsを超える安全な生成レートを達成する、初めてのチップ統合型でソース・デバイスに依存しない量子ランダム数生成装置（QRNG）を提案する。4×4 MMI干渉計フォトリスチックチップ上に統合されたヘテロダイン受信機とトーピリッツハッシング抽出器を活用することで、高いセキュリティ、コンactさ、低消費電力、耐障害性を実現し、宇宙空間やポータブルなアプリケーションにおける高速量子鍵配送に最適である。

ABSTRACT

A wide range of applications require, by hypothesis, to have access to a high-speed, private, and genuine random source. Quantum Random Number Generators (QRNGs) are currently the sole technology capable of producing true randomness. However, the bulkiness of current implementations significantly limits their adoption. In this work, we present a high-performance source-device independent QRNG leveraging a custom made integrated photonic chip. The proposed scheme exploits the properties of a heterodyne receiver to enhance security and integration to promote spatial footprint reduction while simplifying its implementation. This characteristics could represents a significant advancement toward the development of generators better suited to meet the demands of portable and space applications. The system can deliver secure random numbers at a rate greater than 20 Gbps with a reduced spatial and power footprint.

研究の動機と目的

• 実用的展開に適した、高速でコンactかつエネルギー効率の良い量子ランダム数生成装置（QRNG）の開発。
• 信頼できるデバイスに依存するQRNGの限界を克服するため、ソースと検出器の両方に対する信頼仮定を最小限に抑えるソース・デバイスに依存しない（SDI）プロトコルの実装。
• QRNGシステム全体を1つのフォトリスチック集積回路（PIC）に統合し、サイズ、消費電力、環境への感受性を最小限に抑える。
• 20 Gbpsを超える安全なランダム数生成レートを達成するとともに、宇宙空間やポータブルなアプリケーションに耐える堅牢性を維持する。
• アクティブな位相制御やフィードバックループを必要としない、完全に受動的で安定的かつスケーラブルなQRNGアーキテクチャの実現可能性を実証する。

提案手法

• 弱いコherent光源の位相振幅を測定するために、4×4マルチモード干渉（MMI）カプラを用いたヘテロダイン検出方式を採用。
• 高速で低雑音のバランスド受信機と高速なアナログ・デジタルコンバータ（ADC）を用い、高帯域幅で位相振幅信号をデジタル化する。
• 2-ユニバーサルなトーピリッツ行列とベクトルの積を用いて、ランダムネス抽出器として機能させ、生データから一様で安全なランダムビットを抽出する。
• 最小エントロピーとADCのビット幅に基づき、行列の次元（n = 11008, m = 17600）を選定することで、セキュリティパラメータを ε ~ 10⁻¹⁷ に設定する。
• 信号対雑音比と純度（0.883 ± 0.003）を最大化するため、局所発振子（LO）を21.1496 mWで駆動する。
• 受動的MMIベースの干渉計の内在的安定性に依存することで、アクティブな位相安定化を排除し、消費電力と複雑性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合されたチップスケールQRNGは、デバイスコンponentに対する信頼を最小限に抑えつつ、高速で安全なランダム数生成を達成できるか？
• RQ2 信頼できるデバイスに依存するQRNGやデバイスに依存しない方式と比較して、ソース・デバイスに依存しないQRNGの性能は、速度、フットプリント、消費電力効率の観点でどのように異なるか？
• RQ3 受動的フォトリスチック統合（例：MMIカプラの使用）は、高速ヘテロダインQRNGにおいて、アクティブな位相安定化をどの程度代替できるか？
• RQ4 コンパクトで低消費電力かつ耐障害性を持つ統合QRNGアーキテクチャで達成可能な最大の安全な生成レートはどの程度か？
• RQ5 このようなシステムは、実環境での運用条件下でも、高品質なランダムネスとNISTテスト（例：NIST）を満たし続けることができるか？

主な発見

• QRNGは、これまでに報告された半デバイスに依存するQRNGの中で最高の20.015 Gbpsの安全なランダム数生成レートを達成した。
• 局所発振子出力を最大にした際、純度が0.883 ± 0.003を示し、高品質な量子状態準備を裏付けた。
• 1 mW未満の局所発振子出力で安定して動作し、優れたエネルギー効率と低消費電力を示した。
• 全16のNIST統計的テストに合格し、p値は0.091から0.963の範囲に分布し、抽出されたランダムビットの高品質さと一様性を確認した。
• QRNGは完全に受動的であり、アクティブなフィードバックや位相制御が不要で、信頼性、スケーラビリティ、過酷な環境への耐性が向上した。
• チップベースの設計により、コンパクトさ、低消費電力、耐障害性が実現され、5 GHzを超える繰り返しレートを有する衛星ベースの量子鍵配送に適している。