[論文レビュー] Experimental study of quantum random number generator based on two independent lasers

Shi‐Hai Sun, Feihu Xu|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 5, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、連続波（CW）またはパulsedモードで動作する2つの独立レーザーの位相ノイズに着目し、高速で低コストな量子乱数生成器（QRNG）を提案する。レーザー間の干渉を活用し、古典的ノイズを厳密に定量することで、CW+CW、CW+パルス、パルス+パルスの3つの構成を実証し、最小エントロピー推定を用いて真正の量子乱 randomness を裏付け、最大20 Gbpsの乱数生成レートを達成した。

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.

研究の動機と目的

• 2つの独立レーザーが持つ固有の量子位相ノイズを活用し、実用的で高速かつ低コストなQRNGの開発を目的とする。
• 干渉計によるQRNGの限界（位相不安定性や大型化）を、独立レーザーの干渉を用いることで克服することを目的とする。
• 連続波+連続波（CW+CW）、連続波+パルス（CW+パルス）、パルス+パルス（パルス+パルス）の3つの動作モードを包括的に評価・比較することを目的とする。
• 電気的ノイズおよび強度揺らぎといった古典的ノイズを厳密に定量し、条件付き最小エントロピーを推定することで、真正の量子乱 randomness を保証することを目的とする。
• 複雑な干渉計の位相安定化を回避することで、チップスケール統合の可能性を高めることを目的とする。

提案手法

• 2つの独立した分散フィードバック（DFB）レーザーを個別に温度制御することで、スペクトルずれを最小限に抑える。
• 干渉は50:50ビームスプリッタで実現され、その出力光信号を1 GHz帯域幅のフォトダイオードで検出する。
• フォトダイオード出力はACカップリングされ、最大20 GHzで高帯域幅オシロスコープを用いてサンプリングされ、8ビットのアナログデジタル変換が行われる。
• 量子信号は、V(t) ∝ E₁E₂cos[Δω₀t + θ₁(t) − θ₂(t)] としてモデル化され、位相揺らぎθⱼ(t)は自発放出に起因する。
• 電気的ノイズ、強度揺らぎ、干渉計位相ドリフトといった古典的ノイズ源を実験的に測定し、99.9999%の信頼水準で上限を付与する。
• 一様分布の仮定の下で条件付き最小エントロピーを推定し、全古典的ノイズの上限（±6.21 mV ～ ±6.24 mV）を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CW+CW、CW+パルス、パルス+パルスの3つの構成における2つの独立レーザーを用いたQRNGの性能的トレードオフと実用的限界は何か？
• RQ2 電気的部品およびレーザー強度揺らぎに起因する古典的ノイズを実験的に上限付与し、真正の量子乱 randomness を維持するにはどうすればよいか？
• RQ3 干渉計の位相安定化を実施しない場合、長大なビット列生成におけるランダムネス品質にどのような影響が生じるか？
• RQ4 アクティブな位相ロックを要しない独立レーザーを用いた場合、最大でどの程度の乱数生成レートが達成可能か？
• RQ5 古典的ノイズを厳密に定量した状況下で、3つの構成における生成ビット列の最小エントロピーはどのように比較できるか？

主な発見

• CW+CW構成では、278.7 MHzのビーティング周波数と30.2 MHzの標準偏差を示し、最大10 Gbpsの乱数生成レートを達成した。
• パルス+パルス構成では、最大20 GHzのサンプリングレートを実現し、本実験設定で報告された最高の20 Gbpsの生成レートを達成した。
• 古典的電気的ノイズは±2.29 mV以内に、LD1とLD2の強度ノイズはそれぞれ±1.88 mVおよび±2.07 mV以内に抑えられ、全古典的ノイズの上限は±6.24 mVであった。
• 抽出されたビット列の自己相関は、いかなるラグに対しても顕著な相関を示さず、すべてのp値がα = 0.01の有意水準を超えていた。これにより統計的ランダムネスが確認された。
• 条件付き最小エントロピー推定により、古典的ノイズを考慮した後でも真正の量子乱 randomness が保持されていることが確認され、出力の安全性が裏付けられた。
• 本研究では、干渉計の位相ドリフトが短～中程度の長さのビット列に対しては無視できる影響にとどまり、隣接サンプル間の位相変化は約2π×10⁻¹⁰～2π×10⁻¹¹ラジアン程度に推定された。