[논문 리뷰] Experimental study of quantum random number generator based on two independent lasers

Shi‐Hai Sun, Feihu Xu|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2017. 12. 05.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 연속파(CW) 또는 펄스 모드로 작동하는 두 개의 독립 레이저의 위상 노이즈를 기반으로 고속·저비용 양자 난수 생성기(QRNG)를 제안한다. 레이저 간 간섭을 이용하고 고전적 노이즈를 철저히 정량화함으로써, 연속파+연속파, 연속파+펄스, 펄스+펄스의 세 가지 구성 방식을 구현하여 최대 20 Gbps의 난수 생성 속도를 달성하였으며, 최소 엔트로피 추정을 통해 검증된 진정한 양자 난수성을 입증하였다.

ABSTRACT

Quantum random number generator (QRNG) can produce true randomness by utilizing the inherent probabilistic nature of quantum mechanics. Recently, the spontaneous-emission quantum phase noise of the laser has been widely deployed for QRNG, due to its high rate, low cost and the feasibility of chip-scale integration. Here, we perform a comprehensive experimental study of phase-noise based QRNG with two independent lasers, each of which operates in either continuous-wave (CW) or pulsed mode. We implement QRNGs by operating the two lasers in three configurations, namely CW+CW, CW+pulsed and pulsed+pulsed, and demonstrate their tradeoffs, strengths and weaknesses.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 독립 레이저가 내재한 양자 위상 노이즈를 활용하여 실용적이고 고속이며 저비용의 QRNG를 개발하는 것.
• 기존 간섭계 기반 QRNG의 한계인 위상 불안정성과 큰 공간 점유 면적을 해결하기 위해 독립 레이저 간 간섭을 활용하는 것.
• 연속파+연속파, 연속파+펄스, 펄스+펄스의 세 가지 운영 구성 방식을 종합적으로 평가하고 비교하는 것.
• 고전적 노이즈(전기적 노이즈 및 강도 변동)를 엄격하게 정량화하고 조건부 최소 엔트로피를 추정하여 진정한 양자 난수성을 확보하는 것.
• 복잡한 간섭계 안정화를 피함으로써 칩 스케일 통합 잠재력을 확보하는 것.

제안 방법

• 두 개의 독립형 분포피드백(DFB) 레이저는 각각 온도 제어기를 통해 안정화되어 스펙트럼 불일치를 최소화한다.
• 간섭은 50:50 비율의 빔 스플리터에서 발생하며, 그 결과로 생긴 광신호는 1 GHz 대역폭의 광검출기로 측정된다.
• 광검출기 출력은 교류 커플링되고, 고속 옸로스코프를 사용해 최대 20 GHz에서 샘플링되며, 8비트 아날로그-디지털 변환을 수행한다.
• 양자 신호는 V(t) ∝ E₁E₂cos[Δω₀t + θ₁(t) − θ₂(t)]로 모델링되며, 위상 변동 θⱼ(t)는 자발적 방출에 기인한다.
• 전기적 노이즈, 강도 변동, 간섭계 위상 이격 등의 고전적 노이즈 원천은 실험적으로 측정되고 99.9999% 신뢰도로 경계된다.
• 균일 분포 가정 하에 조건부 최소 엔트로피를 추정하며, 총 고전적 노이즈 경계(±6.21 mV ~ ±6.24 mV)를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CW+CW, CW+pulsed, 펄스+pulsed 구성에서 두 개의 독립 레이저를 사용할 경우의 성능 트레이드오프와 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ2 전기적 구성 요소와 레이저 강도 변동에서 기인하는 고전적 노이즈를 실험적으로 어떻게 경계하고 억제할 수 있으며, 이를 통해 진정한 양자 난수성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 간섭계 위상 안정화가 없는 상태에서 장거리 비트 스트링 생성 시 난수 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 활성 위상 락킹 없이도 독립 레이저를 사용해 얻을 수 있는 최대 난수 생성 속도는 얼마인가?
• RQ5 고전적 노이즈를 엄격하게 정량화했을 때, 세 구성 방식 간 생성된 비트 스트링의 최소 엔트로피는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 연속파+연속파 구성은 10 Gbps의 최대 난수 생성 속도를 달성하였으며, 비트 신호 주파수는 278.7 MHz이고 표준편차는 30.2 MHz였다.
• 펄스+펄스 구성은 최대 20 GHz의 샘플링 속도를 지원하여 이 실험 설정에서 보고된 바 가장 높은 20 Gbps의 생성 속도를 달성하였다.
• 고전적 전기적 노이즈는 ±2.29 mV 이내로 경계되었으며, LD1과 LD2의 강도 노이즈는 각각 ±1.88 mV 및 ±2.07 mV 이내였으며, 총 고전적 노이즈 경계는 ±6.24 mV였다.
• 추출된 비트 스트링의 자기상관관계는 어떤 지연에서도 유의미한 상관관계를 보이지 않았으며, 모든 p-값이 유의수준 α = 0.01를 초과하여 통계적 난수성을 확인하였다.
• 조건부 최소 엔트로피 추정 결과, 고전적 노이즈를 고려한 후에도 진정한 양자 난수성이 유지됨을 확인하였으며, 출력의 보안성이 검증되었다.
• 이 연구는 간섭계 위상 이격가 짧은 비트 스트링에서 거의 영향을 미치지 않음을 입증하였으며, 인접 샘플 간 위상 변화는 약 ~2π×10⁻¹⁰ ~ ~2π×10⁻¹¹ 라디안 수준으로 추정되었다.