[논문 리뷰] Quantum random number generator based on quantum tunneling effect

Haihan Zhou, Junlin Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 InGaAs/InP 앤터디오드에서 전자의 양자 터널링의 내재된 무작위성에 기반한 광원을 사용하지 않는 양자 난수 생성기(QRNG)를 제안한다. 주기적인 전압 펄스를 적용하여 터널링 사건을 유도함으로써 시스템은 8 Mb/s의 속도로 난수 비트를 생성하며, NIST 및 Diehard 테스트를 통해 진정으로 무작위임이 검증되었다. 이는 저비용, 통합 가능하고 칩 호환성 있는 실용적 QRNG 응용을 위한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper, we proposed an experimental implementation of quantum random number generator(QRNG) with inherent randomness of quantum tunneling effect of electrons. We exploited InGaAs/InP diodes, whose valance band and conduction band shared a quasi-constant energy barrier. We applied a bias voltage on the InGaAs/InP avalanche diode, which made the diode works under Geiger mode, and triggered the tunneling events with a periodic pulse. Finally, after data collection and post-processing, our quantum random number generation rate reached 8Mb/s, and final data was verified by NIST test and Diehard test. Our experiment is characterized as an innovative low-cost, photonic source free, integratable or even chip-achievable method in quantum random number generation.

연구 동기 및 목표

• 광학적 소스에 의존하지 않고 양자 터널링의 기본적인 비결정성에 기반한 진정한 난수 생성기를 개발하는 것.
• 기존 QRNG의 한계인 높은 비용, 낮은 통합성, 환경에 대한 민감성 문제를 해결하기 위해 표준 반도체 다이오드에서의 전자 터널링을 활용하는 것.
• 일반적으로 이용 가능한 InGaAs/InP 앤터디오드를 사용하여 실용적이고 저비용이며 통합 가능한 QRNG 아키텍처를 구현하고 칩 기반 구현에 적합한 것을 보여주는 것.
• NIST 및 Diehard 테스트를 통한 철저한 통계적 검증과 토플리츠-해싱 추출기를 이용한 후처리를 통해 생성된 난수의 무작위성을 검증하는 것.

제안 방법

• QRNG 프로토콜은 주기적인 고전압 펄스를 적용함으로써 InGaAs/InP 앤터디오드 내의 잠재 에너지 장벽을 통해 전자의 내재된 양자 터널링 확률을 이용한다.
• 전자의 터널링 사건은 전기적 신호로 감지되며, '1'은 펄스 주기 내에 터널링이 발생했음을, '0'은 터널링이 발생하지 않았음을 나타낸다.
• 각 펄스당 터널링 확률은 피크 전압 $U_H$에 의해 결정되며, 이는 고전적 노이즈와 무관한 내재된 양자 무작위성 보장한다.
• 원시 비트 시퀀스는 FPGA 기반 데이터 수집 시스템을 통해 수집되고, 토플리츠-해싱 추출기를 이용한 후처리를 통해 무작위성 품질을 향상시킨다.
• 시스템은 안정적이고 고주파의 트리거 펄스 발생기를 사용하여 지메이저 모드로 작동하며, 생성 속도를 극대화한다.
• 다이오드를 차폐된 상자 안에 밀봉함으로써 환경 광자를 제거하여, 감지된 신호가 터널링에서 기인하고 광학적 교란이 아니라는 것을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 InGaAs/InP 앤터디오드에서 전자의 양자 터널링이 광학적 또는 단일 광자 소스 없이 내재된 양자 무작위성의 신뢰할 수 있는 원천으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 이 터널링 기반 접근법을 통해 도달 가능한 난수 비트 생성 속도는 얼마이며, 향상된 하드웨어로 8 Mb/s를 초과해 확장 가능한가?
• RQ3 생성된 난수 시퀀스의 통계적 품질은 NIST 및 Diehard 테스트와 같은 기준과 비교해 어떻게 평가되는가?
• RQ4 이 QRNG는 얼마나 잘 소형 칩 스케일 시스템에 통합될 수 있으며, 기존 광학 기반 QRNG와 비교해 내구성과 비용 측면에서 어떤가?
• RQ5 토플리츠-해싱과 같은 후처리 기법이 원시 터널링 신호에서 고품질의 무작위성을 효과적으로 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 InGaAs/InP 앤터디오드를 사용하여 원시 생성 속도 8.3 Mb/s를 달성하였으며, 트리거 펄스 주파수를 높임으로써 최대 20 Mb/s까지 확장 가능하다.
• 최종 난수 비트 시퀀스는 NIST 통계 테스트 세트(_STS) 및 Diehard 테스트 배터리 전부를 통과하였으며, p-값은 0.014에서 0.986 사이로, NIST의 16개 및 Diehard의 17개 테스트 전부에서 성공 평가를 받았다.
• 자기상관 분석을 통해 후처리 이후 상관관계가 현저히 감소한 것으로 확인되어, 편향과 시간적 의존성이 효과적으로 제거된 것으로 나타났다.
• 시스템은 광원을 완전히 배제하고 전적으로 전자의 터널링에 의존하므로, 광학 기반 QRNG보다 안정성과 환경에 대한 민감도가 낮아 향상된 특성을 지닌다.
• 상용 다이오드와 FPGA 기반 데이터 수집을 활용함으로써 저비용, 확장 가능하고 통합 가능한 실현 가능성을 확보하였으며, 칩 내 구현에 적합한 구조를 제공한다.
• 이 방법은 이전 연구에서 사용된 InGaAs/InP 다이오드의 어둠의 수의 수를 기반으로 하는 것과 근본적으로 다릅니다. 본 연구는 노이즈의 산물이 아닌 터널링을 주된 물리적 메커니즘으로 활용합니다.