[논문 리뷰] High-speed Source-Device-Independent Quantum Random Number Generator on a Chip

Tommaso Bertapelle, Marco Avesani외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 21.

Chaos-based Image/Signal Encryption인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 20 Gbps를 초과하는 안전한 생성 속도를 달성한 최초의 칩 통합형, 소스-장치 독립형 양자 난수 생성기(QRNG)를 제시한다. 4×4 MMI 간섭계 광학 칩에 통합된 허리티드 탐지기와 토플리츠 해싱 추출기를 활용함으로써, 시스템은 높은 보안성, 컴act함, 낮은 전력 소비 및 내구성을 확보하며, 우주 및 이동형 응용 분야에서 고속 양자 열쇠 분배에 이상적인 조건을 만족시킨다.

ABSTRACT

A wide range of applications require, by hypothesis, to have access to a high-speed, private, and genuine random source. Quantum Random Number Generators (QRNGs) are currently the sole technology capable of producing true randomness. However, the bulkiness of current implementations significantly limits their adoption. In this work, we present a high-performance source-device independent QRNG leveraging a custom made integrated photonic chip. The proposed scheme exploits the properties of a heterodyne receiver to enhance security and integration to promote spatial footprint reduction while simplifying its implementation. This characteristics could represents a significant advancement toward the development of generators better suited to meet the demands of portable and space applications. The system can deliver secure random numbers at a rate greater than 20 Gbps with a reduced spatial and power footprint.

연구 동기 및 목표

• 실제 도입에 적합한 고속, 컴act, 에너지 효율적인 양자 난수 생성기(QRNG)를 개발하기 위해.
• 소스 및 탐지기 양측에 대한 신뢰도를 줄이기 위해 신뢰할 수 있는 장치 QRNG의 한계를 극복하기 위해 소스-장치 독립형(SDI) 프로토콜을 구현하기 위해.
• 전체 QRNG 시스템을 단일 광학 통합 회로(PIC)에 통합하여 크기, 전력 소비, 환경에 대한 민감도를 최소화하기 위해.
• 안전한 난수 생성 속도를 20 Gbps를 초과하면서도 우주 및 이동형 응용 분야에 적합한 내구성을 유지하기 위해.
• 활동적인 위상 제어나 피드백 루프 없이도 완전히 수동적이며 안정적이고 확장 가능한 QRNG 아키텍처의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 약한 공명 광원의 복소수 성분을 측정하기 위해 4×4 다중모드 간섭계(MMI) 커플러를 활용한 허리티드 탐지 기반 측정 방식을 사용한다.
• 고속, 저잡음 밸런스드 수신기와 고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 활용해 고대역폭에서 복소수 신호를 디지털화한다.
• 원시 데이터에서 균일하고 안전한 난수 비트를 추출하기 위해 2-일반적인 토플리츠 행렬-벡터 곱셈을 랜덤성 추출기로 적용한다.
• 최소 엔트로피와 ADC 비트 폭에 기반해 행렬 차원(n = 11008, m = 17600)을 선택함으로써 보안 파rameter를 ε ~ 10⁻¹⁷로 설정한다.
• 신호 대 잡음비와 순도(0.883 ± 0.003)를 극대화하기 위해 로컬 옻스틸레이터(LO)의 출력을 21.1496 mW로 설정함으로써 고품질의 양자 난수를 확보한다.
• 활동적인 위상 안정화를 제거하기 위해 수동적인 MMI 기반 간섭계의 내재된 안정성을 활용함으로써 전력 소비와 복잡성을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 칩 스케일 QRNG가 장치 구성 요소에 대한 최소한의 신뢰를 바탕으로 고속이고 안전한 난수 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 속도, 면적, 전력 효율성 측면에서 소스-장치 독립형 QRNG의 성능이 신뢰할 수 있는 장치 또는 장치 독립형 기법과 비교해 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 고속 허리티드 QRNG에서 활동적인 위상 안정화를 얼마나 잘 수동 광학 통합(예: MMI 커플러 사용)으로 대체할 수 있는가?
• RQ4 작고 낮은 전력 소비, 내구성이 확보된 통합 QRNG 아키텍처에서 도달 가능한 최대 안전한 생성 속도는 얼마인가?
• RQ5 실제 운영 조건에서 이러한 시스템은 높은 난수 품질을 유지하고 NIST와 같은 철저한 통계 테스트를 통과할 수 있는가?

주요 결과

• QRNG는 현재까지 보고된 바 중에서 반-장치 독립형 QRNG 중에서 가장 높은 수준인 20.015 Gbps의 안전한 난수 생성 속도를 달성하였다.
• 로컬 올스틸레이터 출력을 최대화한 상태에서 순도가 0.883 ± 0.003를 기록하여 고품질의 양자 상태 준비를 확인하였다.
• 로컬 올스틸레이터 출력이 1 mW 이하에서도 안정적으로 작동하여 놀라운 에너지 효율성과 낮은 전력 소비를 입증하였다.
• 모든 16개의 NIST 통계 테스트에서 p-값이 0.091에서 0.963 사이로 통과하여 추출된 난수 비트의 높은 품질과 균일성을 확인하였다.
• QRNG는 완전히 수동으로 작동하며 활동적인 피드백이나 위상 제어가 없어 신뢰성, 확장성 및 극한 환경에 대한 내구성을 향상시켰다.
• 칩 기반 설계 덕분에 컴팩트함, 낮은 전력 소비, 내구성이 확보되어 5 GHz 이상의 반복률을 갖는 위성 기반 양자 열쇠 분배에 적합하다.