[論文レビュー] Practical self-testing QRNG based on an energy bound

Davide Rusca, Thomas van Himbeeck+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、信号あたりの平均エネルギーが有限であるという最小限の仮定のもとで、実時間におけるデバイス整合性の検証を可能にする実用的な自己検証量子乱数生成装置（QRNG）を提案する。市販の光学部品を用いた準備・測定設定を実装し、1.25 Mbits/sのランダムネス生成レートを達成しており、セキュリティ、実現可能性、性能のバランスに優れている。

ABSTRACT

We present a scheme for a self-testing quantum random number generator. Compared to the fully device-independent model, our scheme requires an extra natural assumption, namely that the mean energy per signal is bounded. The scheme is self-testing, as it allows the user to verify in real-time the correct functioning of the setup, hence guaranteeing the continuous generation of certified random bits. Based on a prepare-and-measure setup, our scheme is practical, and we implement it using only off-the-shelf optical components. The randomness generation rate is 1.25 Mbits/s, comparable to commercial solutions. Overall, we believe that this scheme achieves a promising trade-off between the required assumptions, ease-of-implementation and performance.

研究の動機と目的

• 完全なデバイス独立性を必要とせず、実時間におけるデバイス整合性の検証を可能にする自己検証QRNGの開発。
• デバイス独立型ランダムネス認証に必要な仮定を最小限に抑えつつも、セキュリティ保証を維持すること。
• 実世界への展開を念頭に、標準的な光学部品を用いた実装を実現すること。
• 商業的QRNGソリューションのランダムネス生成レートと同等またはそれを上回ること。

提案手法

• 量子状態を用いてランダムビットを生成するため、準備・測定量子通信設定を採用する。
• 完全なデバイス独立性を必要としない自己検証を可能にするために、信号あたりの平均エネルギーが有限であると仮定する。
• エネルギー制約と測定統計の監視により、デバイスの正常な動作を実時間で検証する。
• レーザー、ビームスプリッタ、単一光子検出器などの市販光学部品を用いてシステムを実装する。
• エネルギー制限と量子力学的原則に準拠しているかを継続的に監視することで、ランダムネス生成プロセスを監視する。
• エネルギー制限下で観測された統計が量子力学的予測と整合することを検証することで、認証済みランダムネスを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準量子力学を越える最小限の物理的仮定のもとで、自己検証QRNGを実用的に実装可能か？
• RQ2 完全なデバイス独立性を必要としない準備・測定QRNG設定において、実時間でのデバイス検証はどのように達成できるか？
• RQ3 エネルギー制限仮定のもとで、市販部品を用いて得られるランダムネス生成レートはどの程度か？
• RQ4 エネルギー制限仮定は、ハードウェアへの信頼をどの程度低減させつつも、セキュリティを保持できるか？

主な発見

• 提案されたQRNGは1.25 Mbits/sのランダムネス生成レートを達成しており、商業的ソリューションと同等である。
• 信号あたりの平均エネルギーが事前に定義された範囲内に保たれていることを検証することで、実時間での自己検証が可能である。
• 実装には市販光学部品のみを用いており、実用的実現可能性が示された。
• エネルギー制限仮定により、強いデバイス独立性仮定の必要性が低減されたが、依然として認証済みランダムネスが保証された。
• 本手法はセキュリティ、実用性、性能のバランスをうまく保ち、完全なデバイス独立型QRNGの代替案として実現可能である。