[論文レビュー] Quantum random number generator based on quantum tunneling effect

Haihan Zhou, Junlin Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、InGaAs/InPアバランチダイオードにおける電子の量子トンネル効果の内在的ランダムネスに着目し、光子源を不要とするフォトニック・ソースフリーな量子ランダムネンバー生成装置（QRNG）を提案する。周期的な電圧パルスを印加してトンネル効果を誘発することで、8 Mb/sのレートでランダムビットを生成し、NISTおよびDiehardテストにより真にランダムであることが検証された。この手法は低コストで統合可能かつチップ互換性があり、実用的QRNG応用に適したソリューションを提供する。

ABSTRACT

In this paper, we proposed an experimental implementation of quantum random number generator(QRNG) with inherent randomness of quantum tunneling effect of electrons. We exploited InGaAs/InP diodes, whose valance band and conduction band shared a quasi-constant energy barrier. We applied a bias voltage on the InGaAs/InP avalanche diode, which made the diode works under Geiger mode, and triggered the tunneling events with a periodic pulse. Finally, after data collection and post-processing, our quantum random number generation rate reached 8Mb/s, and final data was verified by NIST test and Diehard test. Our experiment is characterized as an innovative low-cost, photonic source free, integratable or even chip-achievable method in quantum random number generation.

研究の動機と目的

• 量子トンネル効果の根本的な不確実性に基づく真のランダムネンバー生成装置の開発を目的とし、光子源に依存しないこと。
• 従来のQRNGが抱える高コスト、統合性の低さ、環境への感受性といった制限を、標準的な半導体ダイオードにおける電子トンネル効果を活用することで克服すること。
• 広く入手可能なInGaAs/InPアバランチダイオードを用いて、チップ上に実装可能な実用的で低コストかつ統合可能なQRNGアーキテクチャを実証すること。
• NISTおよびDiehardテストによる厳密な統計的検定と、Toeplitzハッシュ抽出器を用いた後処理により、生成されたシーケンスのランダムネスを検証すること。

提案手法

• QRNGプロトコルは、周期的な高電圧パルスを印加した状態におけるInGaAs/InPアバランチダイオード内のポテンシャル障壁を越える電子の量子トンネル確率を利用している。
• 電子トンネル効果は電気的信号として検出され、パルス周期内にトンネルが発生した場合は「1」、発生しなかった場合は「0」となる。
• 1パルスあたりのトンネル確率はピーク電圧 $U_H$ に依存し、古典的ノイズとは独立した内在的量子ランダムネスを保証する。
• 生ビット列はFPGAベースのデータ取得システムで収集され、ランダムネスの質を向上させるためにToeplitzハッシュ抽出器を用いた後処理が施される。
• システムはゲーザー・モードで動作し、安定的かつ高周波のトリガーパルス発生器を用いて生成速度を最大化している。
• ダイオードをシールドボックスで封止することで環境光子を排除し、検出信号がトンネル効果に起因するものであり、光クロストークとは独立していることを保証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なInGaAs/InPアバランチダイオードにおける電子の量子トンネル効果が、光子源や単一光子源を必要とせずに、信頼性のある内在的量子ランダムネス源として機能可能かどうか。
• RQ2 このトンネル効果に基づくアプローチで達成可能なランダムビット生成レートはどの程度か。また、ハードウェアの改善により8 Mb/sを超えるスケーリングは可能か。
• RQ3 生成されたランダムシーケンスの統計的品質は、NISTおよびDiehardテストといった標準ベンチマークと比較してどの程度か。
• RQ4 このQRNGはどの程度までコンactなチップスケールシステムに統合可能か。また、既存のフォトリックベースQRNGと比較して、耐障害性およびコスト面で優位性を示せるか。
• RQ5 Toeplitzハッシュ抽出などの後処理技術が、生トンネル信号から高品質なランダムネスを効果的に抽出できるか。

主な発見

• 標準的なInGaAs/InPアバランチダイオードを用いて、生の生成レートが8.3 Mb/sに達した。トリガーパルス周波数の増加により、20 Mb/sまでスケーリング可能である。
• 最終的なランダムビットシーケンスは、NIST統計的テストスイート（STS）およびDiehardテストの全テストに合格し、p値は0.014から0.986の範囲にあり、NISTの16テストおよびDiehardの17テストすべてで成功判定が得られた。
• 自己相関解析により、後処理後における相関の顕著な低減が確認され、バイアスおよび時間的依存性の効果的な除去が示された。
• システムはフォトニック・ソースフリーであり、トンネル効果にのみ依存しているため、フォトニックベースQRNGと比較して安定性が向上し、環境への感受性が低減している。
• 商業的に入手可能なダイオードとFPGAベースのデータ収集を組み合わせることで、低コストでスケーラブルかつ統合可能な実装が可能となり、チップ上への展開に適している。
• 本手法は、従来のInGaAs/InPダイオードにおけるダークカウントを用いた研究とは根本的に異なる。本研究は、ノイズのアーチファクトとしてのトンネル効果ではなく、主に物理的メカニズムとしてトンネル効果を活用している。