[논문 리뷰] Practical self-testing QRNG based on an energy bound

Davide Rusca, Thomas van Himbeeck외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 09.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 신호당 평균 에너지가 제한된 것으로 가정하는 최소한의 가정 하에 실시간으로 장치의 무결성을 검증하는 실용적인 자기검증 자기양자난수생성기(QRNG)를 제안한다. 표준 광학 부품을 사용한 준비-측정 설정을 구현하여, 1.25 Mbits/s의 난수 생성 속도를 달성하며, 보안성, 실현 가능성, 성능 사이에 강력한 균형을 이룬다.

ABSTRACT

We present a scheme for a self-testing quantum random number generator. Compared to the fully device-independent model, our scheme requires an extra natural assumption, namely that the mean energy per signal is bounded. The scheme is self-testing, as it allows the user to verify in real-time the correct functioning of the setup, hence guaranteeing the continuous generation of certified random bits. Based on a prepare-and-measure setup, our scheme is practical, and we implement it using only off-the-shelf optical components. The randomness generation rate is 1.25 Mbits/s, comparable to commercial solutions. Overall, we believe that this scheme achieves a promising trade-off between the required assumptions, ease-of-implementation and performance.

연구 동기 및 목표

• 완전한 장치 독립성 없이도 실시간으로 장치 무결성 검증이 가능한 자기검증 QRNG를 개발하기 위해.
• 장치 독립적 난수 인증을 위한 가정을 줄이되, 보안 보장을 유지하기 위해.
• 실생활 구현 가능성을 확보하기 위해 표준 광학 부품을 사용한 실용적 구현을 달성하기 위해.
• 난수 생성 속도 측면에서 상용 QRNG 솔루션과 견줄 만하거나 이를 초월하기 위해.

제안 방법

• 난수 비트를 양자 상태를 사용하여 생성하기 위해 준비-측정 양자 통신 설정을 활용한다.
• 완전한 장치 독립성 없이도 자기검증이 가능하도록 최소한의 물리적 제약으로 신호당 평균 에너지가 제한된 것으로 가정한다.
• 에너지 제약과 측정 통계를 모니터링하여 장치의 정상 작동 여부를 실시간으로 검증한다.
• 레이저, 비스플리터, 단일 광자 탐지기와 같은 표준 광학 부품을 사용해 설정을 구현한다.
• 에너지 제한과 양자 원리에 대한 지속적인 준수 여부를 모니터링하여 난수 생성 과정을 지속적으로 점검한다.
• 에너지 제약 하에서 관측된 통계가 양자역학적 예측과 일치함을 검증함으로써 인증된 난수를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 양자역학을 초월한 최소한의 물리적 가정만으로 자기검증 QRNG를 실용적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 완전한 장치 독립성이 없이 준비-측정 QRNG 설정에서 실시간 장치 검증을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 에너지 제한 가정 하에 표준 부품을 사용할 때 얻을 수 있는 난수 생성 속도는 얼마인가?
• RQ4 에너지 제한 가정이 하드웨어에 대한 신뢰 수준을 얼마나 줄이며, 동시에 보안을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 QRNG는 1.25 Mbits/s의 난수 생성 속도를 달성하여 상용 솔루션과 유사한 성능을 보였다.
• 신호당 평균 에너지가 정해진 범위 내에 유지됨을 검증함으로써 실시간 자기검증이 가능해졌다.
• 실제로 표준 광학 부품만을 사용하여 실현 가능성을 입증했다.
• 에너지 제한 가정 덕분에 강력한 장치 독립성 가정이 줄어들었지만 여전히 인증된 난수를 보장했다.
• 보안성, 실현 가능성, 성능 사이의 균형을 성공적으로 유지하여 완전한 장치 독립적 QRNG의 실질적인 대안을 제공했다.