[論文レビュー] Ultra-fast real-time quantum random number generator with correlated measurement outcomes and rigorous security certification

Tobias Gehring, Cosmo Lupo+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、真空揺らぎの位 quadrature 測定に基づくリアルタイム量子乱数生成装置（QRNG）を提示し、8 Gbit/sの生成速度を達成するとともに、きめ細やかなセキュリティ認証を実現した。古典的攻撃者や測定の無相関性に関する仮定を排除し、ホモダイン検出器のメトロロジー基準による特徴付けを用いることで、量子攻撃に対しても抽出可能なランダムネスの下限を保証する。

ABSTRACT

Quantum random number generators (QRNGs) promise perfectly unpredictable random numbers. However, the security certification of the random numbers in form of a stochastic model often introduces assumptions that are either hardly justified or indeed unnecessary. Two important examples are the restriction of an adversary to the classical regime as well as negligible correlations between consecutive measurement outcomes. Additionally, non-rigorous system characterization opens a security loophole. In this work we experimentally realize a QRNG that does not rely on the aforementioned assumptions and whose stochastic model is established by a rigorous -- metrological -- approach. Based on quadrature measurements of vacuum fluctuations, we demonstrate a real-time random number generation rate of 8 \,GBit/s. Our security certification approach offers a number of practical benefits and will therefore find widespread applications in quantum random number generators. In particular, our generated random numbers are well suited for today's conventional and quantum cryptographic solutions.

研究の動機と目的

• 既存のQRNGにおける重大なセキュリティの穴、特に古典的攻撃者や測定の無相関性に関する仮定を是正すること。
• 乱数生成の確率的モデルにおいて、検証されていないまたは不要な仮定に依存しないこと。
• 情報理論的セキュリティ認証を伴うリアルタイムで高速な乱数生成（8 Gbit/s）を達成すること。
• ホモダイン検出システムのメトロロジー基準による特徴付けを開発し、パrameterの不確実性とシステム故障確率の下限を厳密に評価すること。
• 量子および古典的暗号システムにおけるQRNGの実用的応用を、証明可能なセキュリティとともに示すこと。

提案手法

• QRNGは、自作のホモダイン検出器（MAR-6マイクロ波増幅器とInGaAsフォトダイオードを用いる）を用いて、真空揺らぎの位 quadrature 測定を実行する。
• 実験的に伝達関数を特徴付け、システム応答をモデル化することで、真空揺らぎ電力のきめ細やかな下限を確立する。
• 有限の検出帯域幅に起因する時間的相関を考慮するため、周波数依存応答R(ν)と可視度χを確率的モデルに組み込む。
• 量子攻撃に耐える抽出可能なランダムネスの下限を、保守的なメトロロジー的アプローチで計算することで、量子セキュリティを確保する。
• FPGA上で実装されたトーペリッツ乱数抽出器を用いて、リアルタイムで乱数を抽出し、残存相関を除去するための後処理を実施する。
• 測定された伝達関数と理論的予測との比較により、確率的モデルの妥当性を検証し、真空揺らぎの下限が正当化されることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QRNGは、古典的攻撃者に関する仮定をせず、リアルタイムで8 Gbit/sの生成速度を達成しながら、きめ細やかなセキュリティ認証を実現できるか？
• RQ2 生成レートを低下させることなく、測定結果の時間的相関をセキュリティモデルに組み込むにはどうすればよいか？
• RQ3 検出器の不完全性とパrameterの不確実性が、QRNGのセキュリティ認証に与える影響は何か？
• RQ4 ホモダインシステムのメトロロジー基準による特徴付けは、量子攻撃に対しても有効な抽出可能なランダムネスの下限を提供できるか？
• RQ5 QRNGは、証明可能なセキュリティを伴って、量子および古典的暗号システムにどの程度実用的に応用可能か？

主な発見

• QRNGは、真空揺らぎの位 quadrature 測定を用いて、リアルタイムで8 Gbit/sの乱数生成速度を達成した。
• パrameter不確実性が制限されたメトロロジー基準の確率的モデルを確立することで、きめ細やかなセキュリティ認証を実現した。
• 抽出可能なランダムネスの下限が、量子攻撃可能な敵に対しても有効であることが証明され、古典的敵のみを仮定する必要がなくなった。
• 有限の検出帯域幅に起因する時間的相関が、生成レートを低下させることなくセキュリティモデルに明示的に組み込まれ、レート低下なしに堅牢性を確保した。
• QRNGは、量子鍵配送に適していることが示され、連続10年間の運用後、セキュリティのεは約10⁻³³にまで低下した。
• 伝達関数の特徴付けにより、測定された真空揺らぎ電力が理論的最小値以下に抑えられていることが確認され、確率的モデルの正当性が裏付けられた。