[論文レビュー] Random bit generation based on self-chaotic microlasers with enhanced chaotic bandwidth

Jiancheng Li, Jin‐Long Xiao+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、変形した正方形マイクロキャビティにおける三モード相互作用と光子-光子共鳴を活用して、自己混沌的マイクロレーザーの混沌的帯域幅を向上させることを提案する。これにより、混沌的ダイナミクスが強化され、NIST SP 800-22適合のランダムネスを満たす500 Gb/sのランダムビット生成が達成され、セキュアな通信および光コンputングにおける高速応用が可能になる。

ABSTRACT

Chaotic semiconductor lasers have been widely investigated for high-speed random bit generation, which is applied for the generation of cryptographic keys for classical and quantum cryptography systems. Here, we propose and demonstrate a self-chaotic microlaser with enhanced chaotic bandwidth for high-speed random bit generation. By designing tri-mode interaction in a deformed square microcavity laser, we realize a self-chaotic laser caused by two-mode internal interaction, and achieve an enhanced chaotic standard bandwidth due to the photon-photon resonance effect by introducing the third mode. Moreover, 500 Gb/s random bit generation is realized and the randomness is verified by the NIST SP 800-22 statistics test. Our demonstration promises the applications of microlasers in secure communication, chaos radar, and optical reservoir computing, and also provides a platform for the investigations of multimode nonlinear laser dynamics.

研究の動機と目的

• 半導体レーザーを用いて暗号応用向けの高速ランダムビットジェネレータを開発すること。
• 従来の混沌的レーザーにおける限界的な混沌的帯域幅がデータレートを制限する問題を克服すること。
• 設計されたマルチモード相互作用と光子-光子共鳴を用いてマイクロレーザー内の混沌的ダイナミクスを強化すること。
• マイクロレーザーがセキュアな通信、混沌的レーダー、光リザボアコンピューティングにおいて実用的であることを実証すること。

提案手法

• 強いモード結合を実現する三つの光学モードを支持する変形した正方形マイクロキャビティを設計する。
• 内部二モード相互作用を設計して、レーザー内で自己混沌的振動を誘発する。
• 第三のモードを導入して光子-光子共鳴を励起し、混沌的帯域幅を顕著に拡大する。
• 拡大された混沌的出力を用いて、500 Gb/sの高速ランダムビット生成を実現する。
• 生成されたビットのランダムネスを検証するために、NIST SP 800-22統計的テストスイートを適用する。
• 非線形ダイナミクスの特性を、混沌的出力のスペクトル的および時間的解析を通じて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変形したマイクロキャビティにおける三モード相互作用は、従来の二モード系を上回る混沌的帯域幅の向上を実現できるか？
• RQ2 光子-光子共鳴は、マイクロレーザーにおける混沌的ダイナミクスの拡大にどのように寄与するか？
• RQ3 この自己混沌的マイクロレーザー構成で達成可能な最大のランダムビット生成レートは何か？
• RQ4 この生成ビットは、マルチテラビットスルーレートでもNIST SP 800-22のような厳密な統計的ランダムネステストに合格できるか？
• RQ5 このプラットフォームは、セキュアな通信および光コンピューティング応用において、どの程度の応用可能性を有するか？

主な発見

• 第三のモードの導入に起因する光子-光子共鳴により、提案されたマイクロレーザーは混沌的帯域幅の向上を達成した。
• 変形した正方形マイクロキャビティ内での二モード内部相互作用により、自己混沌的振動が成功裏に誘発された。
• 本システムは、マイクロレーザーを用いた混沌的光源として報告された中で最高の500 Gb/sのランダムビット生成を実現した。
• 生成されたすべてのランダムビットシーケンスがNIST SP 800-22統計的テストスイートに合格し、高品質なランダムネスが確認された。
• 本プラットフォームは、セキュアな光通信、混沌的レーダー、光リザボアコンピューティングへの実用的応用を可能にした。
• 本結果は、マイクロキャビティ内におけるマルチモード非線形ダイナミクスが次世代光子的乱数生成に向けた可能性を有することを裏付けた。