[논문 리뷰] Practical quantum random number generator based on sampling vacuum fluctuations

Qiang Zhou, Raju Valivarthi외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 02.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 36인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 1.5 µm 파장에서 상용 부품을 사용하여, 이득 스위칭 레이저의 진공 변동을 이용해 양자적 난수를 생성하는 실용적인 양자 난수 생성기(QRNG)를 제안한다. 이 방식은 레이저의 양자적 난수를 갖는 위상 변화를 생성하고, 연속파 레이저와 간섭을 통해 강도 변동으로 변환한다. 이론적 분석과 실험 결과를 통해 1.5 GHz의 검증된 난수 비트 생성 속도를 달성하였으며, 높은 통계적 품질을 확보하였다. 이는 양자 정보 응용 분야에서 확장 가능하고 비용 효율적인 접근법을 보여준다.

ABSTRACT

Random number generation is an enabling technology for fields as varied as Monte Carlo simulations and quantum information science. An important application is a secure quantum key distribution (QKD) system; here, we propose and demonstrate an approach to random number generation that satisfies the specific requirements for QKD. In our scheme, vacuum fluctuations of the electromagnetic-field inside a laser cavity are sampled in a discrete manner in time and amplified by injecting current pulses into the laser. Random numbers can be obtained by interfering the laser pulses with another independent laser operating at the same frequency. Using only off-the-shelf opto-electronics and fibre-optics components at 1.5 $μ$m wavelength, we experimentally demonstrate the generation of high-quality random bits at a rate of up to 1.5 GHz. Our results show the potential of the new scheme for practical information processing applications.

연구 동기 및 목표

• 양자 키 분배(QKD)와 같은 실제 응용에 적합한 실용적이고 고속의 양자 난수 생성기(QRNG)를 개발하기 위해.
• 고반복 주기에서 펄스 시기 지연과 간섭 대비도 저하로 인한 기존 QRNG의 한계를 극복하기 위해.
• 시간 게이팅 검출을 통해 펄스형 및 연속파 레이저 펄스의 정밀한 시간적 겹침을 확보하여 고속 생성률을 달성하기 위해.
• 표준 통계 테스트 세트(NIST 및 Dieharder)를 사용하여 생성된 비트의 난수성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 짧은 전류 펄스로 구동되는 이득 스위칭 반도체 레이저를 사용하여 진공 변동을 샘플링하고, 양자 난수를 갖는 위상 변화를 갖는 레이저 펄스를 생성한다.
• 동일한 주파수와 편광을 갖는 (준)연속파 레이저와 50/50 비트 스플리터를 사용하여 펄스형 레이저 출력과 간섭시킨다.
• 균형형 광검출기가 차등 전압을 측정하며, 이는 두 레이저 필드 간 위상 차이의 사인에 비례한다: ΔV(t) = 4 × η_d × E_1(t) × E_2(t) × sin[φ_1(t) - φ_2(t)].
• 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 감지된 신호의 진폭을 디지털화하여 난수 비트를 생성한다. 이때 2^n의 양자화 수준을 사용한다.
• 고전적 상관관계를 제거하기 위해 토플리츠 해싱 행렬 또는 XOR 연산을 사용하여 난수 추출을 수행한다.
• 데이터 수집은 펄스 중심에 정렬된 짧은 시간 창으로 제한되며, 이는 펄스형 및 연속파 레이저의 스펙트럼 대역폭을 효과적으로 동일하게 만들고, 고속 펄스 주기에서도 높은 간섭 대비도 유지를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 캐비티 내 진공 변동을 활용하여 고속 QRNG에 적합한 진정한 난수 위상을 생성할 수 있는가?
• RQ2 펄스 기반 QRNG에서 고반복 주기에서 펄스 시기 지연과 간섭 대비도 저하 문제를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 1.5 µm 파장에서 상용 광전자 및 섬유 광학 부품을 사용하여 높은 품질의 난수 비트 생성을 얼마나 달성할 수 있는가?
• RQ4 해싱 또는 XOR 연산을 통해 추출된 비트에 대해 통계 테스트 세트(NIST 및 Dieharder)가 난수성을 확인할 수 있는가?
• RQ5 이 진공 변동 샘플링 기반의 실용적 QRNG에서 달성 가능한 최대 생성 속도는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 QRNG는 1.5 µm 파장에서 상용 부품만을 사용하여 검증된 난수 비트 생성 속도 1.5 GHz를 달성하였다.
• NIST 통계 테스트 세트와 Dieharder 테스트 세트를 통한 통계 테스트 결과, 생성된 비트는 높은 신뢰도로 모든 테스트에 통과하여 높은 품질의 난수성을 나타냈다.
• 토플리츠 해싱과 XOR 기반 난수 추출 방식이 모두 비트 상관관계를 효과적으로 감소시켜 자가상관 수준을 기준선 수준으로 낮췄다.
• 시간 게이팅 검출 덕분에 고속 펄스 주기에서도 간섭 대비도를 유지할 수 있었으며, 이는 펄스형 및 연속파 레이저의 스펙트럼 대역폭을 효과적으로 동일하게 만들었기 때문이다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 펄스 반복 주기를 증가시키고 각 펄스당 다수의 비트를 활용함으로써 수십 GHz 수준의 생성 속도를 달성할 수 있다.
• 결과적으로 이는 양자 통신 및 정보 시스템에 구현 가능한 실용적이고 비용 효율적이며 고성능의 QRNG를 보여주었다.