[論文レビュー] Practical quantum random number generator based on sampling vacuum fluctuations

Qiang Zhou, Raju Valivarthi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Quantum Mechanics and Applications参考文献 36被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、増幅スイッチングレーザーにおける真空揺動を活用して量子的ランダムな位相を生成し、連続波レーザーとの干渉によって強度揺動に変換する、実用的な量子乱数生成器（QRNG）を提案する。1.5 µm波長で市販部品を用いたこの方式は、統計的品質が高く、確認された乱数生成レート1.5 GHzを達成し、量子情報応用分野におけるスケーラブルでコスト効率の良いアプローチを示している。

ABSTRACT

Random number generation is an enabling technology for fields as varied as Monte Carlo simulations and quantum information science. An important application is a secure quantum key distribution (QKD) system; here, we propose and demonstrate an approach to random number generation that satisfies the specific requirements for QKD. In our scheme, vacuum fluctuations of the electromagnetic-field inside a laser cavity are sampled in a discrete manner in time and amplified by injecting current pulses into the laser. Random numbers can be obtained by interfering the laser pulses with another independent laser operating at the same frequency. Using only off-the-shelf opto-electronics and fibre-optics components at 1.5 $μ$m wavelength, we experimentally demonstrate the generation of high-quality random bits at a rate of up to 1.5 GHz. Our results show the potential of the new scheme for practical information processing applications.

研究の動機と目的

• 量子鍵配送（QKD）を含む実世界応用に適した実用的で高速な量子乱数生成器（QRNG）の開発を目的とする。
• 高繰返しレートにおけるパルスタイミングジッターと干渉対比度の低下という、既存QRNGの限界を克服することを目的とする。
• 時間ゲーテッド検出により、パルス波と連続波レーザーパルスの正確な時間的重ね合わせを確保することで、高生成レートを実現することを目的とする。
• 標準化された統計的検定スイート（NISTおよびDieharder）を用いて、生成されたビットのランダムネスを検証することを目的とする。

提案手法

• 短い電流パルスで駆動される増幅スイッチング半導体レーザーが、真空揺動をサンプリングし、量子的ランダムな位相を持つレーザーパルスを生成する。
• 同様の周波数および偏光を有する（準）連続波レーザーと、50/50ビームスプリッターを用いて、パルスレーザー出力を干渉させる。
• バランスドフォトダイオードが、2つのレーザー場の位相差の正弦に比例する差動電圧を測定する：ΔV(t) = 4 × η_d × E_1(t) × E_2(t) × sin[φ_1(t) - φ_2(t)]。
• アナログ・ディジタルコンバーター（ADC）を用いて、検出信号の振幅を2^n量子化レベルでデジタル化することで、ランダムビットを生成する。
• 古典的相関を排除するために、トーペリッツハッシュ行列またはXOR演算を用いてランダムネス抽出を実施する。
• データ取得は、パルス中心と整合した短い時間窓に制限され、これによりパルス波と連続波レーザーのスペクトル帯域幅が効果的に等しくなり、高パルスレート下でも高い干渉対比度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー共振器内における真空揺動を活用して、高速QRNGに適した真にランダムな位相を生成することは可能か？
• RQ2 パルスレーザー基盤QRNGにおいて、高繰返しレート下でのパルスタイミングジッターと干渉対比度の低下をどのように緩和できるか？
• RQ3 市販の光エレクトロニクスおよびファイバー光学部品を用いて、1.5 µm波長で高品質な乱数ビット生成をどの程度達成できるか？
• RQ4 ハッシュまたはXOR演算による抽出後、統計的検定スイート（NISTおよびDieharder）が生成ビットのランダムネスをどの程度信頼できるか？
• RQ5 この真空揺動サンプリング方式に基づく実用的QRNGの最大達成可能な生成レートはどの程度か？

主な発見

• 提案されたQRNGは、1.5 µm波長で市販部品のみを用いて、確認された乱数生成レート1.5 GHzを達成した。
• NIST統計的検定スイートおよびDieharderバッテリーによる統計的検定の結果、生成ビットはすべてのテストに高い信頼性で合格し、高品質なランダムネスを示している。
• トーペリッツハッシュおよびXORベースのランダムネス抽出の両方が、ビット相関を効果的に低減し、自己相関レベルをベースラインまで引き下げた。
• 時間ゲーテッド検出のおかげで、高パルスレート下でも高い干渉対比度を維持でき、これはパルス波と連続波レーザーのスペクトル帯域幅を効果的に等しくしているためである。
• この手法はスケーラブルであり、パルス繰返しレートを向上させたり、1パルスあたり複数ビットを活用することで、数十GHzレベルの生成レートを今後達成可能である。
• 本結果は、量子通信および情報システムへの導入に適した実用的でコスト効率が良く、高性能なQRNGを示している。