[논문 리뷰] Device-independent quantum random number generator with a photon pair source

Valentina Caprara Vivoli, Pavel Sekatski외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 29.

Chaos-based Image/Signal Encryption인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 자발적 비선형 다운컨버전을 통한 광자 쌍 소스를 이용한 장치 독립형 양자 난수 생성기의 제안을 다루며, 경보된 단일 광자 상태와 경로 얽힘 및 이동 연산을 활용하여 높은 벨-치쉬 위반을 달성한다. 이 방법은 전통적인 편광 얽힘 광자 쌍 기반 기술에 비해 런당 더 높은 엔트로피와 난수 생성 속도를 제공함을 보여주며, 실험적 비완전성의 비파erturbative 최적화 모델링 덕분에 더 높은 검출 효율이 요구됨에도 불구하고 이는 성능 향상에 기여한다.

ABSTRACT

What is the most efficient way to generate random numbers deviceindependently using a photon pair source based on spontaneous parametric down conversion (SPDC)? We consider this question by comparing two implementations of a detection-loophole-free Bell test. In particular, we study in detail a scenario where a heralded single photon source (HSPS) is used to herald path-entangled states, i.e. entanglement between two spatial modes sharing a single photon and where nonlocality is revealed using photon counting preceded by small displacement operations. ar X iv :1 40 9. 80 51 v1 [ qu an tph ] 2 9 Se p 20 14 Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 2 We start by giving a theoretical description of such a measurement. We then show how to optimize the Bell-CHSH violation through a non-perturbative calculation, taking the main experimental imperfections into account. We finally bound the amount of randomness that can be extracted and compare it to the one obtained with the conventional scenario using photon pairs entangled e.g. in polarization and analyzed through photon counting. While the former requires higher overall detection efficiencies, it is far more efficient in terms of both the entropy per experimental run and the rate of random bit generation. PACS numbers: 03.65.Ud Device-independent quantum random number generator with a photon pair source 3

연구 동기 및 목표

• 측정 장치를 신뢰하지 않고도 난수 보안을 보장하는 장치 독립형 양자 난수 생성기(QRNG)를 개발하는 것.
• 경로 얽힘 단일 광자 상태에 기반한 이동 연산과 기존의 편광 얽힘 상태 기반 방식을 사용한 광자 쌍 소스를 이용한 두 벨 테스트 구현 방식의 효율성을 비교하는 것.
• 검출기 효율성 및 상태 준비 오차와 같은 실험적 비완전성의 비파erturbative 모델링을 통해 벨-치쉬 위반을 최적화하는 것.
• 두 방식 간의 런당 난수 생성 속도와 엔트로피를 정량적으로 비교하고 측정하는 것.
• 경로 얽힘 단일 광자 기반 방식은 더 높은 검출 효율이 요구되지만, 난수 효율성이 뛰어나다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 경보된 단일 광자 소스(HSPS)를 사용하여 두 공간 모드에 걸쳐 초월된 단일 광자를 초래하는 경로 얽힘 상태를 생성한다.
• 소규모 이동 연산을 적용한 후 광자 수치를 통해 비국소성이 드러나며, 이는 검출 틈새가 없는 벨-치쉬 테스트를 가능하게 한다.
• 검출기 효율성 및 어둠의 수치와 같은 실질적 비완전성에 대해 비파erturbative 이론적 프레임워크를 개발하여 벨-치쉬 위반의 최적화를 모델링한다.
• 관측된 벨 위반과 검출 효율에 기반하여 런당 난수 생성 속도와 최소 엔트로피를 계산한다.
• 기존의 표준 광자 수치를 통한 분석을 통해 전통적인 편광 얽힘 광자 쌍 기반 기술과 정량적 비교를 수행한다.
• 장치를 신뢰하지 않고도 난수를 검증할 수 있도록 장치 독립적 보안 기준을 사용하여 추출 가능한 난수의 이론적 한계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPDC 기반 광자 쌍 소스를 사용한 장치 독립형 QRNG를 효율적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 경로 얽힘 단일 광자 기반 방식의 난수 생성 효율은 기존의 편광 얽힘 기반 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 경로 얽힘 구조에서 실질적 실험적 비완전성(예: 검출기 비효율성, 상태 준비 오차 등)이 존재할 경우, 벨-치쉬 위반이 얼마나 최적화될 수 있는가?
• RQ4 경로 얽힘 기반 방식이 런당 난수 효율 측면에서 기존의 편광 기반 QRNG를 능가하기 위해 필요한 최소 검출 효율은 얼마인가?
• RQ5 이동 연산과 경보된 단일 광자를 사용함으로써 더 높은 엔트로피와 비트 생성 속도를 달성할 수 있는가, 비록 더 높은 검출 요구 조건이 따르더라도?

주요 결과

• 경로 얽힘 단일 광자 기반 방식은 전체 검출 효율이 더 높은 요구 조건이 있음에도 불구하고, 전통적인 편광 얽힘 기반 방식에 비해 런당 훨씬 더 높은 엔트로피를 달성한다.
• 제안된 방법은 경보된 경로 얽힘 상태에 대한 이동 기반 측정을 통해 검출 틈새가 없는 벨 테스트를 실현하며, 이는 장치 독립적 난수 인증을 보장한다.
• 실험적 비완전성의 비파erturbative 모델링은 예측된 벨-치쉬 위반의 상당한 향상에 기여하여 더 높은 난수 추출을 가능하게 한다.
• 더 높은 검출 효율 요구 조건에도 불구하고, 강화된 상관관계와 낮은 노이즈 덕분에 경로 얽힘 기반 방식은 랜덤 비트 생성 속도 측면에서 편광 기반 방식을 능가한다.
• 관측된 벨 위반에 기반하여 추출 가능한 난수의 이론적 한계를 도출함으로써, 장치 독립적 보안성과 효율성 향상이 확인된다.
• 결과적으로 경로 얽힘 단일 광자 소스는 기존의 편광 얽힘 소스보다 장치 독립형 QRNG의 더 효율적인 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다.