AT523230B1

AT523230B1 - Device for generating random numbers

Info

Publication number: AT523230B1
Application number: ATA51083/2019A
Authority: AT
Original assignee: Ait Austrian Inst Tech Gmbh
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2022-09-15
Also published as: WO2021113887A1; AT523230A1; EP4073932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen, wobei a) eine Quelle (1), die zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten mit einer vorgegebenen Verteilung Energie, insbesondere in Form von Impulsen, abgibt, b) ein Detektor (3), der der Quelle (1) nachgeschaltet ist, und der die von der Quelle (1), insbesondere in Form von Impulsen, abgegebene Energie in Form von Impulsen detektiert, wobei c) gegebenenfalls von der Quelle (1) abgegebene Energie von einem zwischen der Quelle (1) und dem Detektor (3) befindlichen Abschwächer (2) unterdrückt oder abgeschwächt wird, d) wobei die Zeitspanne zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt (t0) und dem Zeitpunkt der Detektion eines Impulses durch den Detektor (3) ermittelt wird, wobei das Ergebnis der Zeitmessung als Zufallszahl herangezogen wird.The invention relates to a method for generating random numbers, in which a) a source (1) which emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution, b) a detector (3) which is connected to the source ( 1) is connected downstream, and which detects the energy emitted by the source (1), in particular in the form of pulses, in the form of pulses, wherein c) any energy emitted by the source (1) from a between the source (1) and the detector (3) located attenuator (2) is suppressed or attenuated, d) the time span between a predetermined starting time (t0) and the time of detection of a pulse by the detector (3) is determined, the result of the time measurement as a random number is used.

Description

description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen gemäß Patentanspruch 1 bzw. 6. The invention relates to a method and a device for generating random numbers according to patent claims 1 and 6.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Zufallszahlen bekannt, bei denen mittels eines Generators ein Signal abgegeben wird, das gegebenenfalls abgeschwächt und von einem Empfänger detektiert wird. Detektiert der Empfänger dabei ein relevantes Signal innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs, so gibt der Zufallsgenerator für diesen Zeitbereich einen diesbezüglichen Wert an, andernfalls gibt der Zufallsgenerator an seinem Ausgang einen anderen Wert an. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb einzelner Zeitbereiche jeweils ein binäres Signal zu erhalten, das einen von zwei Werten aufweist. Mit einer derartigen Vorgehensweise ist es möglich, einen Zufallsdatenstrom mit einem Bit pro Zeiteinheit zu erzeugen. Various methods for generating random numbers are known from the prior art, in which a signal is emitted by means of a generator, which is optionally weakened and detected by a receiver. If the receiver detects a relevant signal within a predetermined time range, then the random generator indicates a relevant value for this time range, otherwise the random number generator indicates a different value at its output. In this way, it is possible to obtain a binary signal that has one of two values within individual time ranges. With such a procedure it is possible to generate a random data stream with one bit per time unit.

[0003] Die DE 102004011170 B4 sowie die EP3306854 A1 zeigen Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. DE 102004011170 B4 and EP3306854 A1 show methods and devices according to the preamble of the independent claims.

[0004] Dieses Vorgehen hat den wesentlichen Nachteil, dass für jeden Zeitbereich eben gerade nur ein Bit Zufallsdaten erzeugt wird. Aufgabe der Erfindung ist es daher, basierend auf der vorliegenden Anordnung ein Zufallssignal zu erzeugen, das ein Zufallssignal mit einer höheren Datenrate erzeugt. [0004] This procedure has the major disadvantage that just one bit of random data is generated for each time range. It is therefore the object of the invention, based on the present arrangement, to generate a random signal which generates a random signal with a higher data rate.

[0005] Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Um eine einfache Einstellung der Zufallsverteilung zu ermöglichen, ohne dass ein späteres Postprocessing erforderlich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, - e) dass der zeitliche Verlauf zumindest einer der folgenden Stellgrößen während der Zeitspanne veränderlich festgelegt wird: The invention solves this problem with a device of the type mentioned with the characterizing features of claim 1. In order to enable a simple adjustment of the random distribution without requiring subsequent post-processing, the invention provides - e) that the temporal course of at least one of the following manipulated variables during the period of time is set to be variable:

- die Verteilung der abgegebenen Energie durch die Quelle, und/oder - the distribution of the energy delivered by the source, and/or

- die Effizienz des Detektors, und/oder - the efficiency of the detector, and/or

- die durch den Abschwächer bewirkte Abschwächung, und - f) dass der zeitliche Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt derart vorgegeben wird, - the attenuation caused by the attenuator, and - f) that the time profile of the manipulated variable is specified starting from the start time in such a way that

- dass die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsvertei-- that the random distribution of the determined time spans of a predetermined random distribution

lung entspricht, und/oder corresponds to, and/or

- dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs jedenfalls ein Impuls detektiert wird. - That in any case a pulse is detected within a predetermined time range.

[0006] Um ein Datensignal basierend auf regelmäßigen Intervallen bzw. mit einer konstanten Taktrate zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die Zeitmessung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zurückgesetzt wird und die Schritte a) bis d), insbesondere a) bis f), beginnend mit einem weiteren Startzeitpunkt wiederholt werden, In order to obtain a data signal based on regular intervals or with a constant clock rate, it can be provided that the time measurement is reset after a predetermined time interval and steps a) to d), in particular a) to f), beginning be repeated with another start time,

- wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne. - The time interval corresponds in particular to the maximum time span within which there is a pulse in any case, or is greater than this maximum time span.

[0007] Zur weiteren Steigerung der Datenrate des Zufallssignals kann vorgesehen sein, dass die Zeitmessung unmittelbar nach dem Auftreten eines Impulses oder in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zum Auftreten des Impulses zurückgesetzt wird und die Schritte a) bis d), insbesondere a) bis f), beginnend mit einem weiteren Startzeitpunkt wiederholt werden. To further increase the data rate of the random signal, it can be provided that the time measurement is reset immediately after the occurrence of a pulse or at a predetermined time interval from the occurrence of the pulse and steps a) to d), in particular a) to f) , beginning with a further start time.

[0008] Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass als Verteilung eine Gleichverteilung 0der Gauß-Verteilung vorgegeben wird. [0008] Provision can be made particularly advantageously for a uniform distribution 0 of the Gaussian distribution to be specified as the distribution.

[0009] Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen. Es ist dabei vorgesehen: - eine Quelle, die zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten mit einer vorgegebenen Verteilung Energie, insbesondere in Form von Impulsen, abgibt, - ein Detektor, der der Quelle nachgeschaltet ist und dazu ausgebildet ist, die Energie in Form von Impulsen zu detektieren, The invention further relates to a device for generating random numbers. The following is provided: a source which emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution, a detector which is connected downstream of the source and is designed to detect the energy in the form of pulses ,

- gegebenenfalls ein zwischen der Quelle und dem Detektor befindlicher Abschwächer zur Unterdrückung der von der Quelle abgegebenen Energie oder Impulse, und - eine Zeitmesseinrichtung zur Ermittlung der Zeitspanne zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt und dem Zeitpunkt der Detektion eines Impulses durch den Detektor. Eine besonders einfache Einstellung der Zufallsverteilung wird erfindungsgemäß gewährleistet, wenn - eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Verteilung der abgegebenen Energie durch die Quelle als Stellgröße zu steuern, und/oder die Effizienz des Detektors als Stellgröße vorzugeben, und/oder gegebenenfalls die durch den Abschwächer bewirkte Abschwächung als Stellgröße vorzugeben, - die Steuereinheit, die den zeitlichen Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt derart ändert, dass die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsverteilung entspricht, und/oder dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs jedenfalls ein Impuls detektiert wird, und - das Ergebnis, das der Zeitmessung als Zufallszahl zur Verfügung steht. - if necessary, an attenuator located between the source and the detector for suppressing the energy or pulses emitted by the source, and - a time measuring device for determining the time interval between a predetermined start time and the time when a pulse is detected by the detector. A particularly simple setting of the random distribution is ensured according to the invention if a control unit is provided which is designed to control the distribution of the energy emitted by the source as a manipulated variable, and/or to specify the efficiency of the detector as a manipulated variable, and/or if necessary to specify the attenuation caused by the attenuator as a manipulated variable, - the control unit, which changes the time profile of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the time periods determined corresponds to a specified random distribution, and/or that at least one pulse is detected within a specified time range , and - the result that is available as a random number for the time measurement.

[0010] Ein Datensignal basierend auf regelmäßigen Intervallen bzw. mit einer konstanten Taktrate kann vorteilhafterweise bereitgestellt werden, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, - die Zeitmesseinrichtung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zurückzusetzen und einen neuerlichen Startzeitpunkt für eine weitere Bestimmung einer Zufallszahl festzusetzen, - wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne, und - die Steuereinheit mit dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung neuerlich zur Vorgabe eines zeitlichen Verlaufs der Stellgröße zu veranlassen. A data signal based on regular intervals or with a constant clock rate can advantageously be provided if a control unit is provided which is designed to reset the time measuring device after a predetermined time interval has elapsed and set a new start time for a further determination of a random number - whereby the time interval corresponds in particular to the maximum time period within which there is a pulse, or is greater than this maximum time period, and - to cause the control unit to reset the time measuring device again to specify a time profile for the manipulated variable.

[0011] Die Datenrate des Zufallssignals kann weiter gesteigert werden, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, - die Zeitmesseinrichtung unmittelbar nach dem Auftreten eines Impulses oder in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zum Auftreten des Impulses einen neuerlichen Startzeitpunkt für eine weitere Bestimmung einer Zufallszahl festzusetzen, und - die Steuereinheit mit dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung neuerlich den zeitlichen Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt derart steuert, dass die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsverteilung entspricht, und/oder dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs jedenfalls ein Impuls detektiert wird. The data rate of the random signal can be further increased if a control unit is provided which is designed to: to set a random number, and - by resetting the time measuring device, the control unit again controls the time profile of the manipulated variable, beginning at the start time, in such a way that the random distribution of the determined time periods corresponds to a predetermined random distribution, and/or that at least one pulse is detected within a predetermined time range.

[0012] Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Photonen zur Erzeugung von Zufallszahlen genutzt werden, kann bereitgestellt werden, wenn - die Quelle durch einen Laser ausgebildet ist, dem - ein Abschwächer in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers nachgeschaltet ist, und dem wiederum - ein Detektor in Form eines optischen Einzelphotonendetektors nachgeschaltet ist. A particularly advantageous device according to the invention in which photons are used to generate random numbers can be provided if - the source is formed by a laser, which - is followed by an attenuator in the form of a Mach-Zehnder interferometer, and which in turn - A detector in the form of an optical single photon detector is connected downstream.

[0013] Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung bei der ein Rauschsignal zur Erzeugung von Zufallszahlen genutzt wird, kann bereitgestellt werden, wenn A particularly advantageous device according to the invention in which a noise signal is used to generate random numbers can be provided if

- die Quelle ein elektrisches Rauschsignal erstellt, und - the source creates an electrical noise signal, and

- als Detektor ein elektronischer Detektor vorgesehen ist, der einen Impuls dann detektiert, wenn das elektrische Rauschsignal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, - an electronic detector is provided as a detector, which then detects a pulse when the electrical noise signal exceeds a predetermined threshold value,

- wobei die Stellgröße durch Verstärken oder abschwächen des Rauschsignals sowie durch Anderung des Schwellenwerts für das Rauschsignal vorgegeben wird. - The manipulated variable being specified by amplifying or attenuating the noise signal and by changing the threshold value for the noise signal.

[0014] Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass von der Steuereinheit eine Stellgröße derart gewählt ist, dass sich als Zufallsverteilung eine Gleichverteilung oder eine Gauß-Verteilung It can be particularly advantageous for the control unit to select a manipulated variable in such a way that the random distribution is a uniform distribution or a Gaussian distribution

ergibt. results.

[0015] Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention result from the description and the accompanying drawings.

[0016] Besonders vorteilhafte, aber nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Particularly advantageous, but non-limiting embodiments of the invention are shown schematically below with reference to the accompanying drawings and described by way of example with reference to the drawings.

[0017] Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 näher dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst eine Quelle 1 in Form einer Photonenquelle bzw. eines Lasers. Die Quelle 1 gibt zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten Impulse, im vorliegenden Fall Einzelphotonen, mit einer vorgegebenen Verteilung ab. A first embodiment of the invention is shown in more detail in FIG. This embodiment comprises a source 1 in the form of a photon source or a laser. The source 1 emits pulses, in the present case single photons, with a predetermined distribution at unpredictable times.

[0018] Alternativ zu einem Laser können beispielsweise auch radioaktive Quellen, Quellen für Quantenfluktuationen basierend auf dem Tunneleffekt, einem quantenmechanischen nichtdeterministischen Effekt verwendet werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit elektrische Rauschquellen zu verwenden. As an alternative to a laser, for example, radioactive sources, sources of quantum fluctuations based on the tunnel effect, a quantum mechanical non-deterministic effect can be used. Alternatively, it is also possible to use electrical noise sources.

[0019] In Fig. 1 ist weiters ein Abschwächer dargestellt, der der Quelle 1 nachgeschaltet ist und dazu ausgebildet ist, die von der Quelle 1 abgegebenen Impulse oder Signale teilweise zu unterdrücken bzw. abzuschwächen. Im vorliegenden Fall handelt es sich beim Abschwächer 2 um ein Mach-Zehnder Interferometer, das aufgrund elektrooptischer Effekte dazu ausgebildet ist, das Laserlicht, das von der Quelle 1 abgegeben wurde, an einen von zwei Ausgängen weiterzuleiten, sodass das Licht, das an einem der beiden Ausgänge des Abschwächers 2 vorliegt, nur einen vorgegebenen Anteil am Gesamtlicht der Lichtquelle aufweist. Alternativ können natürlich bei Verwendung entsprechend anderer Quellen elektrische Abschwächer oder radioaktive Abschirmmaterialien verwendet werden. In Fig. 1, an attenuator is also shown, which is connected downstream of the source 1 and is designed to partially suppress or weaken the pulses or signals emitted by the source 1. In the present case, the attenuator 2 is a Mach-Zehnder interferometer which, due to electro-optical effects, is designed to direct the laser light emitted by the source 1 to one of two outputs, so that the light emitted by one of the both outputs of the attenuator 2 is present, has only a predetermined proportion of the total light of the light source. Alternatively, electrical attenuators or radioactive shielding materials can, of course, be used in accordance with other sources.

[0020] Dem Ausgang des Abschwächers 2 ist ein Detektor 3 nachgeschaltet, der dazu ausgebildet ist, die von der Quelle 1 erstellten und vom Abschwächer 2 abgeschwächten Impulse zu detektieren. Dabei handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Einzelphotonendetektor. Je nach Art von Quelle und Abschwächer können jedoch auch andere Detektoren verwendet werden, die dazu ausgebildet sind, die Impulse, die auf entsprechend anderen physikalischen Phänomen beruhen, zu detektieren. Dabei handelt es sich beispielsweise um Detektoren für radioaktiven Zerfall oder elektrische oder elektronische Detektoren. The output of the attenuator 2 is followed by a detector 3 which is designed to detect the pulses created by the source 1 and attenuated by the attenuator 2 . In the present exemplary embodiment, this is a single-photon detector. Depending on the type of source and attenuator, however, other detectors that are designed to detect the pulses that are based on corresponding other physical phenomena can also be used. These are, for example, detectors for radioactive decay or electrical or electronic detectors.

[0021] Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Abschwächer 2 enthält. Vielmehr ist es auch möglich, dass der Detektor 3 der Quelle 1 unmittelbar nachgeschaltet ist. In principle, it is not necessary for a device according to the invention to contain an attenuator 2 . Rather, it is also possible for the detector 3 to be connected directly downstream of the source 1 .

[0022] Weiters ist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine Zeitmesseinrichtung 5 dargestellt, die dazu ausgebildet ist, die Zeitspanne zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt To und dem Zeitpunkt Tp der Detektion eines Impulses durch den Detektor 3 zu ermitteln. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zufallszahlengeneratoren wird nicht der Umstand, dass ein Impuls innerhalb eines Zeitraums detektiert wurde, als Zufallszahl weiterverwendet, sondern das Ergebnis der Zeitmessung. Furthermore, in the embodiment of the invention shown in FIG. In contrast to the random number generators known from the prior art, it is not the fact that a pulse was detected within a period of time that is used as a random number, but rather the result of the time measurement.

[0023] Um nun die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen vorzugeben, beispielsweise eine Gleichverteilung der Zeitspannen zu erreichen, ist eine Steuereinheit 4 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Quelle 1, den Detektor 3 und den Abschwächer 2 anzusteuern. Die Steuereinheit 4 reguliert derart die Wahrscheinlichkeit für die Detektion eines Impulses und kann diese über die Zeit variieren. Dabei gibt die Steuereinheit 4 jeweils Teilstellgrößen für die die Quelle 1, den Detektor 3 und den Abschwächer 2 vor. Besonders vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Effekte der Teilstellgrößen Aa, Aa, Aa, die jeweils von der Quelle 1, vom Detektor 3 sowie vom Abschwächer 2 bewirkt sind, sich multiplikativ auf die Gesamtstellgröße X auswirken. In order to specify the random distribution of the determined time periods, for example to achieve an equal distribution of the time periods, a control unit 4 is provided which is designed to control the source 1, the detector 3 and the attenuator 2. In this way, the control unit 4 regulates the probability of detecting a pulse and can vary this over time. The control unit 4 specifies partial manipulated variables for the source 1, the detector 3 and the attenuator 2. It is particularly advantageous that the individual effects of the partial manipulated variables Aa, Aa, Aa, which are caused by the source 1, the detector 3 and the attenuator 2, have a multiplicative effect on the total manipulated variable X.

[0024] Als erste Teilstellgröße kann die Wahrscheinlichkeit Aa der Abgabe von Impulsen durch die Quelle 1 von der Steuereinheit 4 vorgegeben werden. Bei Verwendung eines Lasers als Quelle 1 erfolgt dies typischerweise durch Vorgabe des Laserstroms Iı, wobei ein nichtlinearer The probability Aa of the emission of pulses by the source 1 can be specified by the control unit 4 as the first partial manipulated variable. When using a laser as source 1, this is typically done by specifying the laser current Iı, with a non-linear

Zusammenhang AM = A4 (IL) besteht. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Wahrscheinlichkeit A4 der Abgabe von Impulsen, zB in Form von Photonen oder Energie, durch die Quelle durch Vorgabe eines konkreten Laserstroms vorgegeben werden. Ubersteigt der Laserstrom I_ einen vorgegebenen Schwellenwert ln, So hängt die Wahrscheinlichkeit der Abgabe von Impulsen, Photonen bzw. Energie durch die Quelle 1 innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne annähernd linear von der Erhöhung des Laserstroms Iı_ ab. Connection AM = A4 (IL) exists. As shown in FIG. 4, the probability A4 of the emission of pulses, for example in the form of photons or energy, can be specified by the source by specifying a specific laser current. If the laser current I_ exceeds a predetermined threshold value ln, the probability of the emission of pulses, photons or energy by the source 1 within a predetermined period of time depends approximately linearly on the increase in the laser current Ii_.

[0025] Als zweite Stellgröße kann die Abschwächwirkung A des optischen Abschwächers 2 vorgegeben werden. Zur Steuerung des optischen Abschwächers 2 kann eine Spannung UA vorgegeben werden, mit der ein in einem Strahlengang des als Abschwächer 2 wirkenden Mach-Zehnder-Interferometers befindliches Medium mit variabler optischer Länge entsprechend eingestellt werden kann. The attenuation effect A of the optical attenuator 2 can be specified as the second manipulated variable. To control the optical attenuator 2, a voltage UA can be specified, with which a medium with a variable optical length located in a beam path of the Mach-Zehnder interferometer acting as an attenuator 2 can be adjusted accordingly.

Aa = Ma (Un) Aa = Ma (Un)

[0026] Auch die Effizienz des Detektors (Fig. 6), d.h. die Wahrscheinlichkeit dafür, dass auf dem Detektor auftreffende Energie tatsächlich zu einem Impuls am Ausgang des Detektors 3 führt, kann von der Steuereinheit 4 vorgegeben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Definition eine im Strahl des Lasers liegende Lawinendiode verwendet. An die Lawinendiode ist dabei je nach Bauart eine Vorspannung von zB 100 V angelegt, die über der Durchbruchsspannung liegt. Ein spontaner Durchbruch ereignet sich jedoch erst nach mehreren Millisekunden nach dem Anlegen der Spannung, im Falle einer Bestrahlung kann jedoch ein vorzeitiger Durchbruch gemessen werden. Die Lawinendiode wird dabei im Geiger-Modus betrieben, wobei hier ein einzelnes Photon den Durchbruch der Lawinendiode auslösen kann. Je höher die Spannung Up, an der Lawinendiode desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Photon einen Durchbruch der gesamten Diode bewirkt. Die Spannung U» kann innerhalb eines vorgegebenen, insbesondere wenig Volt breiten, Bereichs [Up,min... Up,max] vorgegeben werden. Vorzugsweise kann eine SAPD, d.h. eine Single Photon Avalanche Photo Diode, als Detektion verwendet werden. The efficiency of the detector (FIG. 6), i.e. the probability that energy impinging on the detector actually leads to a pulse at the output of the detector 3, can also be specified by the control unit 4. In a preferred embodiment of the invention, an avalanche diode located in the beam of the laser is used as the definition. Depending on the design, a bias voltage of, for example, 100 V, which is above the breakdown voltage, is applied to the avalanche diode. However, spontaneous breakdown occurs several milliseconds after the voltage is applied, but premature breakdown can be measured in the case of irradiation. The avalanche diode is operated in Geiger mode, in which case a single photon can trigger the breakdown of the avalanche diode. The higher the voltage Up, across the avalanche diode, the more likely it is that a photon will cause the entire diode to break down. The voltage U» can be specified within a predetermined range [Up,min . . . Up,max], in particular a few volts wide. A SAPD, i.e. a Single Photon Avalanche Photo Diode, can preferably be used as detection.

[0027] Somit kann die Detektoreffizienz QE, dh die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich aufgrund eines Photonen-Impulses ein Durchbruch ereignet, durch Vorgabe einer Detektorspannung Up variiert werden, sodass die vom Detektor ausgehende Stellgröße A4 von der Detektorspannung abhängt. [0027] Thus, the detector efficiency QE, ie the probability that a breakthrough will occur due to a photon pulse, can be varied by specifying a detector voltage Up, so that the manipulated variable A4 emanating from the detector depends on the detector voltage.

Aq = Aq(Up) Aq = Aq(Up)

[0028] Insgesamt kann die Steuereinheit 4 durch Vorgabe von Laserstrom IL sowie der beiden Spannungen Us, Up den Wahrscheinlichkeitswert dafür, dass innerhalb eines Zeitabschnitts der Impuls am Ausgang des Detektors 3 anliegt, vorgegeben werden. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass die Steuereinheit 4 lediglich eine Stellgröße aus der Menge der Stellgrößen Aa, Aa, Ag, nämlich Laserstromabschwächwirkung und Detektoreffizienz QE, regelt, alternativ kann die Steuereinheit 4 auch alle drei dieser Stellgrößen Ay, Aa, Aa regeln und damit die Wahrscheinlichkeit, dass am Detektor ein Impuls innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne anliegt, variiert werden. Je mehr verschiedene Stellgrößen verwendet werden, umso größer ist der Bereich der einstellbaren Wahrscheinlichkeiten dafür, dass am Detektor 3 ein Impuls innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne anliegt. Overall, by specifying the laser current IL and the two voltages Us, Up, the control unit 4 can specify the probability value for the pulse being present at the output of the detector 3 within a period of time. In principle, it is possible for the control unit 4 to regulate only one manipulated variable from the set of manipulated variables Aa, Aa, Ag, namely the laser current attenuation effect and detector efficiency QE. Alternatively, the control unit 4 can also regulate all three of these manipulated variables Ay, Aa, Aa and thus the probability that a pulse is present at the detector within a specified period of time can be varied. The more different manipulated variables are used, the greater the range of adjustable probabilities that a pulse is present at the detector 3 within a predetermined time span.

[0029] Um nun eine Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen vorzugeben, beispielsweise zu erreichen, dass eine Gleichverteilung der Zeitspannen bis zum Auftreten des ersten Impulses am Ausgang des Detektors innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters vorliegt, kann eine der folgende Berechnungsvorschriften angewendet werden. In order to specify a random distribution of the determined time periods, for example to ensure that the time periods up to the occurrence of the first pulse at the output of the detector are evenly distributed within a specified time window, one of the following calculation rules can be applied.

[0030] In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das Ziel darin, eine Gleichverteilung der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Impulses am Ausgang des Detektors 3 herzustellen, wobei die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Impuls am Ausgang des Detektors 3 innerhalb der ersten Nanosekunde nach dem Beginn bzw. Startzeitpunkt vorliegt, bei 5% liegt. Ebenso soll erreicht werden, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Impuls am Ausgang des Detektors innerhalb jeder weiteren Nanosekunde nach dem Startzeitpunkt bis zur zwanzigsten Nanosekunde jeweils bei 5% liegt. In the embodiment shown in FIG. 2, the aim is to produce a uniform distribution of the probability of a pulse occurring at the output of the detector 3, the probability of a pulse appearing at the output of the detector 3 within the first nanosecond after the beginning or start time is present, is 5%. It is also to be achieved that the probability of a pulse at the output of the detector within each additional nanosecond after the start time up to the twentieth nanosecond is 5%.

[0031] Will man eine derartige Gleichverteilung erreichen, so wird die Stellgröße, die sich als Produkt der Wahrscheinlichkeit der Abgabe von Energie, der Effizienz des Detektors 3 sowie der Abschwächwirkung des Abschwächers ergibt, den in Fig. 2 dargestellten Funktionsverlauf X (t) aufweisen. If you want to achieve such a uniform distribution, the manipulated variable, which results from the product of the probability of the release of energy, the efficiency of the detector 3 and the attenuation effect of the attenuator, will have the function curve X(t) shown in FIG .

[0032] Um den vorgegebenen Funktionsverlauf zu erreichen, wird im ersten Zeitabschnitt T+, d.h. innerhalb der ersten Nanosekunde, ein Wert A4 gewählt, der durch A+*At = wı festgelegt ist. Die Stellgröße A für die ersten Nanosekunde ergibt sich dabei gemäß A1 = w;/At. Um nun zu erreichen, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Impulses am Ausgang des Detektors in der zweiten Nanosekunde wiederum w> = 5% entspricht, wird eine Stellgröße A1 wie folgt gewählt: In order to achieve the specified functional profile, a value A4 is selected in the first time segment T+, i.e. within the first nanosecond, which is defined by A+*At = wı. The manipulated variable A for the first nanosecond is obtained according to A1=w;/At. In order to ensure that the probability of a pulse occurring at the detector output in the second nanosecond again corresponds to w> = 5%, a manipulated variable A1 is selected as follows:

(1 — A At)", "At = W>» (1 — A At)", "At = W>»

[0033] Dies bedeutet also, dass bei der Berechnung der Stellgröße A2 während des zweiten Zeitintervalls berücksichtigt wird, dass ein Ereignis nicht bereits während der ersten Nanosekunde eingetreten ist. Durch Umformung ergibt sich die Stellgröße während der zweiten Nanosekunde bzw. während des zweiten Zeitabschnitts zu [0033] This therefore means that when the manipulated variable A2 is calculated during the second time interval, it is taken into account that an event did not already occur during the first nanosecond. The manipulated variable during the second nanosecond or during the second time period results from conversion

A2 = w„/At/(1 — AM At). A2 = wn/At/(1 - AM At).

[0034] Berücksichtigt man für das dritte Zeitintervall wiederum den Umstand, dass während der ersten beiden Zeitintervalle ein entsprechendes Detektorereignis nicht aufgetreten ist, so ergibt sich bei der Bestimmung der Stellgröße während des dritten Zeitintervalls der folgende Zusammenhang: If the fact that a corresponding detector event did not occur during the first two time intervals is again taken into account for the third time interval, the following relationship results when determining the manipulated variable during the third time interval:

(1 — AM AU*(C1 — Az" At)*A3 "At = W3 [0035] Durch Umformung erhält man dementsprechend A3 = w3/At(1 — M AD/CA — A2 "AU. (1 - AM AU*(C1 - Az" At)*A3 "At = W3 [0035] By transformation one obtains accordingly A3 = w3/At(1 - M AD/CA - A2 "AU.

[0036] Für den Fall, dass eine Gleichverteilung gewünscht ist, d.h. w1 = W2 = Ws = ... = We, kann die Stellgröße während des dritten Zeitintervalls entsprechend zu A3 = w/At(1-3*14*At) vereinfacht werden. In the event that an equal distribution is desired, i.e. w1=W2=Ws=...=We, the manipulated variable during the third time interval can be correspondingly simplified to A3=w/At(1-3*14*At). will.

[0037] Für den allgemeinen Fall kann für die weiteren Zeitintervalle Stellgröße An wie folgt ermittelt werden: For the general case, manipulated variable An can be determined as follows for the further time intervals:

[Mi=1..n-1C1 - A; At)] An A = Wn [0038] Dementsprechend ergibt sich An = Wp/At/[Di=1.n- 11 - Ai AU]. [Mi=1..n-1C1 - A; At)] An A = Wn Accordingly, An = Wp/At/[Di=1·n-11 - Ai AU].

[0039] Sofern eine Gleichverteilung der Wahrscheinlichkeit gewünscht ist, ergibt sich für die Stellgröße A der folgende Wert: If a uniform distribution of the probability is desired, the following value results for the manipulated variable A:

An = w/At/[1 — n*A9 At] An = w/At/[1 — n*A9 At]

[0040] Um im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu erreichen, dass ein Impuls spätestens am Ende der vorgegebenen Zeitperiode, im vorliegenden Fall nach 20 Nanosekunden, auftritt, Wird Während des letzten Zeitintervalls eine sehr große Stellgröße vorgegeben. Entsprechend der vorgegebenen Formel ergibt sich für den Fall, dass n*\o*At genau den Wert 1 ergibt, eine Stellgröße A», die sehr groß bzw. unendlich Wirkt. In diesem Fall sollte die größtmögliche vom System abgebbare Stellgröße verwendet werden. In order to achieve in the present exemplary embodiment that a pulse occurs at the latest at the end of the specified time period, in the present case after 20 nanoseconds, a very large manipulated variable is specified during the last time interval. According to the given formula, if n*\o*At is exactly 1, a manipulated variable A» results that is very large or infinite. In this case, the largest possible manipulated variable that can be output by the system should be used.

[0041] Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist die vorliegende Ausführungsform der Erfindung keinesfalls auf die Vorgabe einer Gleichverteilung beschränkt. Vielmehr besteht natürlich auch die Möglichkeit der Vorgabe abweichender Verteilungen beispielsweise einer Gaus-Verteilung. As already explained above, the present embodiment of the invention is in no way limited to the specification of a uniform distribution. Rather, of course, there is also the possibility of specifying deviating distributions, for example a Gaussian distribution.

[0042] Dabei werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die Wahrscheinlichkeitswerte, d.h. die Wahrscheinlichkeiten dafür, dass ein Impuls erstmals in der im letzten Zeitabschnitt To auftritt, durch Vorgabe abweichender Wahrscheinlichkeitswerte w;, ..., Wn vorgegeben. Entsprechend der vor-3, the probability values, i.e. the probabilities of a pulse occurring for the first time in the last time segment To, are specified by specifying deviating probability values w i , . . . , W n . According to the

stehend dargestellten Formeln können auch die einzelnen Stellgrößen vorgegeben werden. The formulas shown below can also be used to specify the individual manipulated variables.

[0043] Um laufend, dh innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine Vielzahl von gleichartig erzeugten Zufallszahlen zur Verfügung zu stellen, können unterschiedliche Vorgehensweisen eingesetzt werden, um das vorstehend beschriebene Verfahren zu wiederholen. [0043] In order to continuously, ie within a certain period of time, provide a large number of random numbers generated in the same way, different procedures can be used in order to repeat the method described above.

[0044] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die vorstehend dargestellten Vorgaben in konstanten Zeitintervallen durchgeführt, dh jede Zufallszahlenbildung dauert gleich lange. Die Steuereinheit 4 gibt dabei jeweils einen Rücksetzimpuls an die Zeitmesseinheit 5 sowie gegebenenfalls auch an den Detektor 3 ab und setzt die Stellwerte entsprechend dem vorgegebenen, zuvor numerisch bestimmten Zeitverlauf. In a particularly preferred embodiment of the invention, the specifications presented above are carried out at constant time intervals, ie each generation of random numbers takes the same amount of time. The control unit 4 in each case emits a reset pulse to the time measurement unit 5 and possibly also to the detector 3 and sets the control values according to the predetermined, previously numerically determined time profile.

[0045] Selbst wenn der Impuls bereits nach einem der Zeitintervalle aufgetreten ist, wird ein Zeitraum abgewartet, der der maximalen Dauer bis bzw Zeitspanne zum Auftreten eines Impulses entspricht; in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dauert dies 20 ns. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Zufallszahlen regelmäßig auftreten, dh vorab deterministisch festlegbar ist, wie viele Zufallszahlen in einer Sekunde - im vorliegenden Ausführungsbeispiel 50 Millionen Zufallszahlen - auftreten. Even if the pulse has already occurred after one of the time intervals, a period of time is awaited which corresponds to the maximum duration or time span for the occurrence of a pulse; in the embodiment shown in FIG. 2, this takes 20 ns. The advantage of this procedure is that the random numbers occur regularly, ie it can be determined in advance deterministically how many random numbers occur in one second—in the present exemplary embodiment 50 million random numbers.

[0046] Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, das Rücksetzen unmittelbar nach dem Auftreten eines Impulses zu beginnen, dh die maximale Dauer bzw Zeitspanne nicht abzuwarten. In diesem Fall treten die Zufallszahlen nicht regelmäßig auf; der Anfall der Zufallszahlen kann jedoch im Mittel aufgrund der vorgegebenen Verteilung grundsätzlich ermittelt werden. Grundsätzlich kann, um ausreichend Zeit für das Abspeichern der Daten zur Verfügung zu haben, eine Mindestzeit für die Erstellung einer Zufallszahl bzw ein Mindestzeitintervall bis zum Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung 5 oder eine fixe Wartezeit zwischen dem Auftreten eines Impulses am Detektor und dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung 5 vorgegeben werden. As an alternative to this, there is also the possibility of starting the reset immediately after the occurrence of a pulse, ie not waiting for the maximum duration or period of time. In this case, the random numbers do not occur regularly; however, the occurrence of the random numbers can in principle be determined on average based on the specified distribution. In principle, in order to have sufficient time available for storing the data, a minimum time for the generation of a random number or a minimum time interval until the time measuring device 5 is reset or a fixed waiting time between the occurrence of a pulse at the detector and the resetting of the time measuring device 5 can be specified will.

[0047] Werden die Stellgrößen über die Zeit konstant gehalten, ergibt sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeiten in Form einer Exponentialverteilung. Falls eine solche Exponentialverteilung gewünscht ist oder ein Postprocessing der Wahrscheinlichkeitswerte vorgenommen wird, kann eine zeitliche Veränderung der Stellgrößen unterbleiben. [0047] If the manipulated variables are kept constant over time, a probability distribution of the times results in the form of an exponential distribution. If such an exponential distribution is desired or if the probability values are post-processed, a change in the manipulated variables over time can be omitted.

a) Zeitpunkt der Detektion eines Impulses durch den Detektor (3) ermittelt wird, a) the time of detection of a pulse by the detector (3) is determined,

wobei whereby

das Ergebnis der Zeitmessung als Zufallszahl herangezogen wird. the result of the time measurement is used as a random number.

Claims

patent claims

1. Method for generating random numbers, where

a) a source (1) which emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution,

b) a detector (3) which is connected downstream of the source (1) and which detects the energy emitted by the source (1), in particular in the form of pulses, in the form of pulses, wherein

c) any energy emitted by the source (1) is suppressed or attenuated by an attenuator (2) located between the source (1) and the detector (3),

d) the period of time between a specified start time (to) and the time when a pulse is detected by the detector (3) is determined,

where the result of the time measurement is used as a random number,

characterized,

e) that the course over time of at least one of the following manipulated variables is variable during the period of time:

- the distribution of the energy emitted by the source (1), and/or - the efficiency of the detector (3), and/or - the attenuation caused by the attenuator (2),

and

f) that the time profile of the manipulated variable, beginning at the start time (to), is specified in such a way that

- that the random distribution (w) of the determined time periods corresponds to a predetermined random distribution, and/or

- That in any case a pulse is detected within a predetermined time range (Tmax).

2. The method according to claim 1, characterized in that the time measurement is reset after a predetermined time interval has elapsed and steps a) to d), in particular a) to f), are repeated beginning with a further start time (to), - wherein the Time interval corresponds in particular to the maximum period of time (Tmax) within which there is at least one pulse, or is greater than this maximum period of time (Tmax)-

3. The method according to claim 1, characterized in that the time measurement is reset immediately after the occurrence of a pulse or in a predetermined time interval to the occurrence of the pulse and steps a) to d), in particular a) to f), beginning with a further start time (to) are repeated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the control unit (4) supplies a manipulated variable such that a uniform distribution results as the random distribution.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the control unit (4) supplies a manipulated variable such that a Gaussian distribution results as the random distribution.

6. Device for generating random numbers, comprising - a source (1) which emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution,

- a detector (3) which is connected downstream of the source and is designed to detect the energy in the form of pulses,

- optionally an attenuator (2) located between the source (1) and the detector (3) for suppressing the energy or pulses emitted by the source (1), and

10

11.

Austrian AT 523 230 B1 2022-09-15

- a time measuring device (5) for determining the time span between a specified start time (to) and the time when a pulse is detected by the detector (3),

marked by

- a control unit (4) which is designed to

to control the distribution of the energy emitted by the source (1) as a manipulated variable, and/or

specify the efficiency of the detector (3) as a manipulated variable, and/or

if necessary, specify the attenuation caused by the attenuator (2) as a manipulated variable,

- the control unit (4), which changes the time profile of the manipulated variable starting from the start time in such a way that

that the random distribution of the time periods determined corresponds to a predetermined random distribution, and/or

that at least one pulse is detected within a predetermined time range, and

- the result that is available as a random number for the time measurement.

Device according to claim 6, characterized in that a control unit (4) is provided

is trained to

- to reset the time measuring device (5) after a predetermined time interval (T max) has elapsed and to set a new start time for a further determination of a random number,

- wherein the time interval corresponds in particular to the maximum time span within which there is a pulse in any case, or is greater than this maximum time span, and

- cause the control unit (4) to reset the time measuring device (5) again to specify a time profile for the manipulated variable.

is trained to

- the time measuring device (5) to set a new start time (to) for a further determination of a random number immediately after the occurrence of a pulse or at a predetermined time interval from the occurrence of the pulse, and

- the control unit (4), with the resetting of the time measuring device (5), again controls the time profile of the manipulated variable, starting from the start time (to),

that the random distribution of the ascertained time periods corresponds to a predetermined random distribution, and/or that at least one pulse is detected within a predetermined time range.

Device according to one of Claims 6 to 8, characterized in that - the source (1) is formed by a laser, which - is followed by an attenuator (2) in the form of a Mach-Zehnder interferometer, and which in turn is - a detector ( 3) is followed in the form of an optical single photon detector.

Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that

- the source (1) produces an electrical noise signal, and

- an electronic detector is provided as the detector (3), which then detects a pulse when the electrical noise signal exceeds a predetermined threshold value,

- The manipulated variable is specified by amplifying or attenuating the noise signal and by changing the threshold value for the noise signal.

Device according to one of the preceding Claims 6 to 10, characterized in that a manipulated variable is selected by the control unit (4) in such a way that a uniform distribution results as the random distribution.

12. Device according to one of the preceding claims 6 to 11, characterized in that a manipulated variable is selected by the control unit (4) in such a way that a Gaussian distribution results as the random distribution.

2 sheets of drawings