JP2009230200A - Chaos laser oscillator, super-high speed physical random number generation device using the same and its method and its program and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば暗号分野や大規模な数値計算に必要とされる真の乱数を高速で生成するためのカオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置と、その方法とそのプログラムと記録媒体に関する。 The present invention relates to a chaotic laser oscillator for generating, for example, a real random number required for a cryptographic field or a large-scale numerical calculation at high speed, an ultrafast physical random number generator using the same, a method thereof, and a program thereof And the recording medium.
真の乱数を生成する方法としては、原子核の自然崩壊現象を用いた方法(特許文献1参照)や、半導体の熱雑音を用いた方法(特許文献2参照)等があった。これらの方法は、何れも良好な一様乱数の生成が可能であるが、乱数の生成速度が例えば40〜1000cps(cycle/second)と低速であった。 As a method for generating a true random number, there are a method using a natural decay phenomenon of a nucleus (see Patent Document 1), a method using a thermal noise of a semiconductor (see Patent Document 2), and the like. Any of these methods can generate a good uniform random number, but the generation speed of the random number is as low as 40 to 1000 cps (cycle / second), for example.
高速に乱数を生成する従来の超高速物理乱数生成装置の機能構成例を図38に示して、その動作を簡単に説明する(特許文献3参照)。従来の超高速物理乱数生成装置380は、乱数生成用のランダムパルス生成素子1と、第1回路の前置増幅器3と、主増幅器4と、波高弁別器5と、波形整形器6と、第2回路の前置増幅器23と、主増幅器24と、波高弁別器25と、波形整形器26と、共通の1ビット乱数生成器7と、を備え、更に切り替え用のランダムパルス生成素子2と、前置増幅器3と、主増幅器4と、波高弁別器5と、波形整形器6と、アドレス変換器8とを備えている。
An example of the functional configuration of a conventional ultrahigh-speed physical random number generator that generates random numbers at high speed is shown in FIG. 38 and its operation will be briefly described (see Patent Document 3). A conventional ultra-high speed physical random number generator 380 includes a random
ランダムパルス生成素子1は、乱数生成用として1個の光放射ダイオード(以降、「LED」と称する)光源11及び2個のアバランシェPTNダイオード12と増殖型PINダイオード13が一組となっている。切り替え用のランダムパルス生成素子2は、1個の光源14と1個のPINダイオード15が一体となっている。
The random
1個のLED光源11からの光子塊は、増殖型PINダイオード12または増殖型PINダイオード13に択一的にランダムに入射する。増殖型PINダイオード12,13で生成された小電力の電気の塊は、各増殖型PTNダイオード12,13自体で100倍に増殖された後、前置増幅器3,23と主増幅器4,24とで更に増幅され、数ボルトの電圧信号となる。主増幅器4,24からの電圧信号は、波高弁別器5,25でノイズと分離され波形整形器6,26で矩形のパルス信号となる。この矩形のパルス信号が、1ビット乱数生成器7に入力されて1ビットの乱数が生成される。その1ビット乱数の生成速度は、毎秒10M〜100Mビットである。
しかし、特許文献3に開示された方法では、LED光源11からの毎秒10の7乗以上の光子塊を検出して高速パルスを生成するために、高速で動作可能な増殖型PINダイオード12,13を必要とする。ただ、一般的な増殖型PINダイオードを単純に用いただけでは、光子塊の検出は困難である。例えばフォトダイオードを冷却する等の特殊な工夫を必要とする。このように従来技術においては、例えば暗号分野で必要とされる毎秒1Gビット以上の速度で物理乱数を生成する方法及び生成装置を、容易に実現することが出来なかった。また、その速度も最大で毎秒100Mビット程度であった。
However, in the method disclosed in
この発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、真の乱数を、毎秒1Gビット以上の速度で簡単に生成するのに用いるカオスレーザ発振器と、それを用いた超高速物理乱数生成装置と、その方法と、プログラムと記録媒体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and a chaotic laser oscillator used to easily generate a true random number at a speed of 1 Gbit / second or more, and an ultrafast physical random number generation using the chaotic laser oscillator An object is to provide an apparatus, a method thereof, a program, and a recording medium.
この発明のカオスレーザ発振器は、レーザと、レーザの注入電流を制御する注入電流制御部と、外部鏡と光フィルタを備えた外部共振器とから成る複合共振レーザである。そして、外部共振器における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、2値乱数を生成するクロック周波数に対して非整数比に設定される。また、複合共振レーザの出力光強度信号の中心周波数が、クロック周波数以上で、且つ、クロック周波数に対して非整数比に設定される。また、複合共振レーザの出力光強度信号のRFスペクトルの振幅の高低が、振幅の調整幅の25dB以下に設定され、複合共振レーザの出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態に設定される。 The chaotic laser oscillator according to the present invention is a composite resonance laser including a laser, an injection current control unit for controlling the injection current of the laser, and an external resonator including an external mirror and an optical filter. Then, the external resonance frequency corresponding to the reciprocal of the round-trip time of light in the external resonator is set to a non-integer ratio with respect to the clock frequency for generating a binary random number. Further, the center frequency of the output light intensity signal of the composite resonant laser is set to a clock frequency or higher and a non-integer ratio with respect to the clock frequency. Also, the amplitude level of the RF spectrum of the output light intensity signal of the composite resonance laser is set to 25 dB or less of the amplitude adjustment width, and the chaotic oscillation state in which the output light intensity signal of the composite resonance laser oscillates irregularly is set. The
また、この発明の超高速物理乱数生成装置は、上記したカオスレーザ発振器から成るレーザ発振部と、光検出部と、周期クロック発生部と、しきい値処理部とを具備する。光検出部は、レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する。周期クロック発生部は、周期クロックを発生する。しきい値処理部は、周期クロックのタイミングで光検出部が出力する交流電気信号を2値乱数信号に変換する。 In addition, an ultrahigh-speed physical random number generator of the present invention includes a laser oscillation unit composed of the above chaotic laser oscillator, a light detection unit, a periodic clock generation unit, and a threshold processing unit. The light detection unit converts the output light intensity signal of the laser oscillation unit into an AC electrical signal. The periodic clock generator generates a periodic clock. The threshold processing unit converts the AC electrical signal output from the light detection unit into a binary random number signal at the timing of the periodic clock.
この発明のカオスレーザ発振器は、出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態の複合共振レーザを出力する。また、この発明の超高速物理乱数生成装置は、カオスレーザ発振器が発生するカオス状態の複合共振レーザを乱数の信号源として用いることで、毎秒当たり1Gビット〜100Gビットの超高速物理乱数の生成を可能にする。その構成も簡単であり容易に毎秒1Gビット以上の速度で2値乱数信号を生成する超高速物理乱数生成装置が実現出来る。 The chaotic laser oscillator of the present invention outputs a complex resonant laser in a chaotic oscillation state in which the output light intensity signal oscillates irregularly. In addition, the ultrahigh-speed physical random number generation device of the present invention generates ultrahigh-speed physical random numbers from 1 Gbit to 100 Gbit per second by using a complex resonant laser in a chaotic state generated by a chaotic laser oscillator as a random number signal source. enable. The configuration is simple, and an ultra-high speed physical random number generator that easily generates a binary random number signal at a speed of 1 Gbit / s or more can be realized.
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same components in a plurality of drawings, and the description will not be repeated.
この発明のカオスレーザ発振器の一例であるカオスレーザ発振器100の機能構成例を図1に示す。カオスレーザ発振器100は、レーザ101と、注入電流制御部102と、レンズ103と、ビームスプリッター(Beam Splitter、以降「BS」と称する)104と光減衰フィルタ105と外部鏡106とを備えた外部共振器108と、から成る複合共振レーザである。
FIG. 1 shows an example of the functional configuration of a
複合共振レーザの出力光強度信号は、BS104で分割されアイソレータ(Isolator、以降「ISO」と称する)107を通じてファイバカプラー(Fiber Coupler、以降「FC」と称する)109に注入され外部に出力される。このカオスレーザ発振器100の構成は、従来からある複合共振レーザと変るところはない。カオスレーザ発振器100は、複合共振レーザの出力光強度信号を生成するための、注入電流制御部102や外部共振器108や光減衰フィルタ105の設定条件に特徴がある。
The output light intensity signal of the composite resonant laser is divided by the
その条件設定の方法を図2を参照して説明する。まず初めに2値乱数を生成するクロック周波数を設定する(ステップS503)。クロック周波数については、詳しくは後述する。次に、注入電流制御部102を調整して出力光強度信号の中心周波数を、クロック周波数よりも高くなるように設定する(ステップS102)。出力光強度信号の中心周波数は、注入電流の許す範囲内及びカオス生成が実現可能な範囲内で、クロック周波数よりも高く設定するのが望ましい。
The condition setting method will be described with reference to FIG. First, a clock frequency for generating a binary random number is set (step S503). Details of the clock frequency will be described later. Next, the injection
次に、反射鏡106を設置して戻り光がある状態にし、外部共振器108における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、クロック周波数に対して非整数比になるように設定する(ステップS108)。このようにして設定された出力光強度信号のRFスペクトルの一例を図3(a)に示す。RFはRadio Frequencyを略したものであり、出力光強度信号の周波数成分に相当し、光周波数とは異なることを意味する。図3(a)の横軸は周波数[GHz]であり、縦軸はパワー[dBm]である。出力光強度信号は、2.62GHzを中心周波数として約75MHzの外部共振周波数のRFスペクトルが重畳した信号である。この特性は、光通信用DFB半導体レーザ(型番NLK1555CCA)を用いて、注入電流値を12.0mA、外部共振器長が2.0mの条件で得られた。
Next, the reflecting mirror 106 is installed so that there is return light, and the external resonance frequency corresponding to the reciprocal of the round-trip time of light in the
図3(a)を拡大したのが図3(b)である。横軸と縦軸の関係は図3(a)と同じである。約75MHz間隔で発生する外部共振周波数のRFスペクトルが確認できる。出力光強度信号を時間軸で観測した結果を図3(c)に示す。横軸は時間[ns]であり、縦軸は強度である。出力光強度信号の強度がカオス的に振動している様子が分かる。このカオス的時間振動波形のある時刻を基準として、自己相関係数の変化を計算した結果を図3(d)に示す。横軸はある時刻を基準とした遅延時間[ns]であり、縦軸は自己相関係数の値である。0は無相関、1は完全相関(同じ波形)、−1は位相が反転している波形であることを表わす。出力光強度信号の中心周波数2.62GHzに相当する遅延時間0.38nsと、外部共振周波数75MHzに相当する遅延時間13.3nsの自己相関係数が大きくなる特性を示す。 FIG. 3B is an enlarged view of FIG. The relationship between the horizontal axis and the vertical axis is the same as in FIG. The RF spectrum of the external resonance frequency generated at intervals of about 75 MHz can be confirmed. The result of observing the output light intensity signal on the time axis is shown in FIG. The horizontal axis is time [ns], and the vertical axis is intensity. It can be seen that the intensity of the output light intensity signal is chaotically oscillating. FIG. 3D shows the result of calculating the change of the autocorrelation coefficient with reference to a certain time of the chaotic time oscillation waveform. The horizontal axis is the delay time [ns] based on a certain time, and the vertical axis is the value of the autocorrelation coefficient. 0 indicates no correlation, 1 indicates complete correlation (the same waveform), and -1 indicates a waveform whose phase is inverted. The characteristic is that the autocorrelation coefficient of the delay time 0.38 ns corresponding to the center frequency 2.62 GHz of the output light intensity signal and the delay time 13.3 ns corresponding to the external resonance frequency 75 MHz becomes large.
ここで、時間軸方向に乱数を生成するのに図3(d)に示す特性を利用することを考えると、乱数を生成する時間間隔における自己相関係数の値が0(無相関)であれば良いことが分かる。つまり、例えば毎秒1Gビットの2値乱数を生成しようとした場合、1ns間隔で図3(d)の自己相関係数を見て行くことと同じである。したがって、外部共振周波数はクロック周波数の非整数倍の値に設定した方が、クロック周波数と自己相関係数が大きくなるタイミングが同期し難くなり、無相関な乱数を実現できる。また、中心周波数とクロック周波数との関係も同様の理由で非整数倍の関係に設定した方が良い。 Here, considering that the characteristic shown in FIG. 3D is used to generate a random number in the time axis direction, if the value of the autocorrelation coefficient in the time interval for generating the random number is 0 (no correlation). I understand that That is, for example, when generating a 1 Gbit binary random number per second, it is the same as looking at the autocorrelation coefficient of FIG. Therefore, when the external resonance frequency is set to a value that is a non-integer multiple of the clock frequency, the clock frequency and the timing at which the autocorrelation coefficient increases are more difficult to synchronize, and an uncorrelated random number can be realized. Also, the relationship between the center frequency and the clock frequency should be set to a non-integer multiple relationship for the same reason.
外部共振周波数で決まる出力光強度信号のRFスペクトルの振幅の大きさが、2値乱数の品質に影響するので、RFスペクトルの振幅と乱数品質との関係の検討を行った。出力光強度信号のRFスペクトルの振幅を、光減衰フィルタ105で変化させた結果を図4に示す。図4の横軸は周波数[GHz]、縦軸はRFスペクトルのパワー[dBm]である。図4(a)は光減衰フィルタ105の透過率を26.8%に、図4(b)は33.4%、図4(c)は41.6%にしたときの出力光強度信号のRFスペクトルである。このようにRFスペクトルの振幅を可変して、後述する実施例3の超高速物理乱数生成装置で2値乱数列を生成し、その乱数を乱数検定した。乱数検定は、米国商務省標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology)が提唱するNIST SP800-22を用いた。
Since the magnitude of the RF spectrum amplitude of the output light intensity signal determined by the external resonance frequency affects the quality of the binary random number, the relationship between the RF spectrum amplitude and the random number quality was examined. FIG. 4 shows the result of changing the amplitude of the RF spectrum of the output light intensity signal by the
乱数検定結果を表1に示す。
このように実施例1に示したカオスレーザ発振器は、詳しくは後述するが超高速で2値乱数を生成する超高速物理乱数生成装置の乱数発生源として用いることが出来る。 As described above, the chaotic laser oscillator shown in the first embodiment can be used as a random number generation source of an ultrahigh-speed physical random number generator that generates binary random numbers at an ultrahigh speed, as will be described in detail later.
更に高速な乱数生成のためのカオスレーザ発振器の他の実施例を、カオスレーザ発振器500として図5に示す。カオスレーザ発振器500は、実施例1で説明したカオスレーザ発振器である第1レーザ501と第2レーザ502と、それぞれを温度制御する温度制御部503,504を備え、第2レーザ502に第1レーザ501の出力光強度信号が注入され、第2レーザの出力光強度信号が外部に出力されるように構成される。第1レーザ501の出力光強度信号は、ISO501aとBS502aを介して第2レーザ502に注入される。温度制御部503は第1レーザ501を、温度制御部504は第2レーザ502の温度を、例えば0.01℃程度の分解能の精度で温度制御して波長の安定を図る。
Another embodiment of a chaotic laser oscillator for generating a random number at a higher speed is shown in FIG. The chaotic laser oscillator 500 includes the
第1レーザ501と第2レーザ502のそれぞれは、実施例1で説明した方法で設定されている。その上で両者の関係は次のように設定される。その条件設定のフローを図6に示して説明する。第1レーザ501と、第2レーザ502の外部共振周波数とを非整数比に設定する(ステップS60)。非整数比に設定する理由は、上記した自己相関係数が大きくなるタイミングに、クロック周波数が同期し難くするためである。第1レーザ501の外部共振周波数を、例えば107MHzに、第2レーザ502のそれを245MHzに設定する。それぞれの外部共振周波数は、外部共振器の長さで調整出来る。第1レーザ501の出力光強度信号の中心周波数と、第2レーザ502の出力光強度信号の中心周波数を、それぞれ6GHz程度に設定する(ステップS61)。このとき、両者の中心周波数は一致しないように非整数比になるように設定する。また、実施例1に示したように、第1レーザ501と第2レーザ502の出力光強度信号のRFスペクトルの振幅の高低が、上記振幅の調整幅の25dB以下になるように設定する。
Each of the
そうして、第2レーザ502に第1レーザ501の出力光強度信号を注入する(ステップS62)。この際、第2レーザ502の波長は、第1レーザの出力光強度信号を注入した際に、第2レーザの出力光強度信号のRFスペクトルの周波数軸方向の幅が、第1レーザ501の出力光強度信号が未注入のときよりも広くなるような値に設定する。例えば、第1レーザ501の波長を第2レーザ502の波長よりも短く設定して注入同期が発生しないようにする。波長の制御は、温度制御部で各レーザ501と502の温度を変えることで行う。この場合、第1レーザ501の温度を制御する温度制御部503は、第2レーザ502の波長よりも短くなるように第1レーザ501の温度を制御する。
Then, the output light intensity signal of the
このようにして設定された第2レーザ502の出力光強度信号のRFスペクトルの一例を図7(a)に示す。図7(a)の横軸は周波数[GHz]であり、縦軸はパワー[dBm]である。5.88GHzと12.06GHzの2つのピークが確認出来る。これは、第2レーザ502の出力光強度信号の中心周波数約6GHzに対して、第1レーザ501の出力光強度信号が注入されることにより、第2レーザ502の周波数帯域が12.06GHzまで拡大されたことを示している。
An example of the RF spectrum of the output light intensity signal of the
図7(a)の4〜6GHzの範囲を拡大した特性を図7(b)に示す。図7(b)の縦軸と横軸は図7(a)と同じである。第1レーザ501の外部共振周波数の107MHzと、第2レーザ502の外部共振周波数245MHzのRFスペクトルが確認出来る。
FIG. 7B shows characteristics obtained by enlarging the range of 4 to 6 GHz in FIG. The vertical and horizontal axes in FIG. 7B are the same as those in FIG. RF spectra of the
このように周波数帯域が拡大された出力光強度信号を、時間領域で観測した結果を図8に示す。図7の縦軸と横軸は、上記した図3(c)と同じであり、横軸が時間[ns]、縦軸は強度である。図3(c)と比較すると、周波数帯域が広がった分、カオス的時間振動波形の周波数も高くなっている。したがって、カオスレーザ発振器500は、より高速な2値乱数列を生成する用途に利用することが可能になる。 FIG. 8 shows the result of observing the output light intensity signal whose frequency band is expanded in this way in the time domain. The vertical axis and horizontal axis in FIG. 7 are the same as in FIG. 3C described above, the horizontal axis is time [ns], and the vertical axis is intensity. Compared with FIG.3 (c), the frequency of the chaotic time oscillation waveform is also high because the frequency band widened. Accordingly, the chaotic laser oscillator 500 can be used for generating a higher-speed binary random number sequence.
このカオス的時間振動波形のある時刻を基準として、時間軸方向の自己相関係数を計算した結果を図7(c)と(d)に示す。横軸はある時刻を基準とした遅延時間[ns]であり、縦軸は自己相関係数の値である。図7(d)は、図7(c)の時間軸を拡大したものである。0は無相関、1は完全相関(同じ波形)、−1は位相が反転している波形であることを表わす。外部共振器の光の往復時間(外部共振周波数の逆数)に相当する自己相関係数が、大きくなる特性を示す。第2レーザ502の外部共振周波数245MHzと、第1レーザ501の外部共振周波数107MHzに相当する遅延時間4.1nsと9.3nsの自己相関係数が大きくなっている。時間軸を拡大した図7(d)では、周波数帯域が拡大された両端のピーク周波数の12GHzと5.8GHzに相当する遅延時間0.08nsと0.17nsの自己相関係数が大きくなっていることが分かる。そこで例えば、2値乱数を生成するクロック周波数を2.5GHzに設定すれば、0.4ns未満の領域の自己相関係数の増大の影響を受けなくて済む。
FIGS. 7 (c) and 7 (d) show the results of calculating the autocorrelation coefficient in the time axis direction with reference to a certain time of the chaotic time oscillation waveform. The horizontal axis is the delay time [ns] based on a certain time, and the vertical axis is the value of the autocorrelation coefficient. FIG. 7 (d) is an enlarged view of the time axis of FIG. 7 (c). 0 indicates no correlation, 1 indicates complete correlation (the same waveform), and -1 indicates a waveform whose phase is inverted. The autocorrelation coefficient corresponding to the round trip time of the light of the external resonator (reciprocal of the external resonance frequency) increases. The autocorrelation coefficients of the delay times 4.1 ns and 9.3 ns corresponding to the
このように、実施例2に示したカオスレーザ発振器500の生成するカオス的時間振動波形の周波数は、実施例1のカオスレーザ発振器100よりも高く設定することが可能であることから、より高速な超高速物理乱数生成装置に利用可能である。以降、実施例1と2で説明したカオスレーザ発振器を用いた超高速物理乱数生成装置の実施例を示して説明する。
As described above, the frequency of the chaotic time oscillation waveform generated by the chaotic laser oscillator 500 shown in the second embodiment can be set higher than that of the
図9にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置900の機能構成例を実施例3として示す。その動作フローを図10に示す。超高速物理乱数生成装置900は、レーザ発振部901と、光検出部902と、周期クロック発生部903と、しきい値処理部904を備える。周期クロック発生部903としきい値処理部904は、例えばROM、RAM、CPU等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、CPUがそのプログラムを実行することで実現されるコンピュータで実現しても良い。または、各機能構成部を個々にハードウェアで実現しても良い。以降に説明する各装置についても同様である。
FIG. 9 shows a functional configuration example of an ultrafast physical random number generation apparatus 900 using the chaotic laser oscillator of the present invention as a random number source as a third embodiment. The operation flow is shown in FIG. The ultrafast physical random number generation device 900 includes a
レーザ発振部901は、実施例1又は2で説明済みのカオスレーザ発振器である。レーザ発振部901の出力する出力光強度信号は、カオス状態にあり、その振幅が乱雑変動する(ステップS901、図3(c)参照)。その乱雑変動する出力光強度信号は、光検出部902において、交流電気信号に変換される(ステップS902)。周期クロック発生部903は、交流電気信号を2値乱数信号に変換するタイミングを決定する周期クロックを発生する(ステップS903)。しきい値処理部904は、周期クロックのタイミングで交流電気信号を2値乱数信号に変換する(ステップS904)。
The
しきい値処理部904が、交流電気信号を2値乱数信号に変換する様子の一例を図11に示す。図11の横軸は時間[ns]であり、左縦軸は強度、右縦軸はディジタルビットの値を示す。光検出部902の出力する交流電気信号は、直流成分が除去されて、しきい値処理部904に入力される。交流電気信号に重ねて図示している●が、周期クロックの例えば立ち上がりのタイミングを表わす。しきい値処理部904は、●の時点での交流電気信号が、例えば正であればディジタルビットを“1”に、負であればディジタルビットを“0”にして出力する。その結果、図11に示すように“1”と“0”の時間幅が、周期クロックの周期の整数倍の間隔で乱雑に変動する2値乱数信号列が出力される。
An example of how the
図11に示す例では、0基準で交流電気信号をディジタルビットに変換したが、その基準、つまり、しきい値を調整することで2値乱数列の0の出現頻度が約50%になるようにする。しきい値と0頻度との関係を図12に示す。図12の横軸はしきい値を電圧[V]で、縦軸は0頻度を[%]で示す。図12は0.008Vの分解能で0頻度が調整出来ることを示している。0の出現頻度が50%に最も近づくように、しきい値電圧を調整する。このようにして得られた2値乱数の乱数としての品質の評価については、後述する乱数評価結果で説明する。 In the example shown in FIG. 11, the AC electrical signal is converted into digital bits on the basis of 0, but by adjusting the reference, that is, the threshold value, the appearance frequency of 0 in the binary random number sequence is about 50%. To. FIG. 12 shows the relationship between the threshold and 0 frequency. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the threshold voltage [V], and the vertical axis indicates 0 frequency [%]. FIG. 12 shows that zero frequency can be adjusted with a resolution of 0.008V. The threshold voltage is adjusted so that the appearance frequency of 0 is closest to 50%. The evaluation of the quality of the binary random number obtained in this way as a random number will be described in the later-described random number evaluation result.
高品質の乱数を必要とする場合は、しきい値処理部904の出力する2値乱数列に、更に乱数一様化処理を施しても良い。図9に乱数一様化処理部905を破線で示す。乱数一様化処理部905の一具体例を図13に示す。乱数一様化処理部905は、シフトレジスタ(以降、「SF」と称する)131,132,133と、排他的論理和手段134とを備える。SF131にしきい値処理部904からの2値乱数列が入力され、シフトクロックを周期クロックとして、SF131〜133が順番に直列に接続され、各SF131,132,133の出力信号と2値乱数列との排他的論理和が、排他的論理和手段134で計算される。各SF131,132,133のシフトビット数は、素数として出力側から小さい順に並べる。つまり、SF133のシフトビット数をτ1=3、SF132のシフトビット数をτ2=5、SF131のシフトビット数をτ3=7とする。
When a high-quality random number is required, the random number uniformization process may be further performed on the binary random number sequence output from the
乱数一様化処理部905の動作タイムチャートを図14に示す。しきい値処理部904から入力される2値乱数列を図14に示す例とした場合、排他的論理和手段134は、EXORと表記する2値乱数列を出力する。乱数一様化処理は、一度生成された2値乱数信号列をずらして混ぜ合わせる考え方であり、2値乱数信号列をより乱雑にする効果が期待出来る。乱数一様化処理が、乱数の品質に与える効果については後述する。
An operation time chart of the random number
なお、乱数一様化処理部905は、図15のように構成しても良い。図15に示す乱数一様化処理部905´は、SF131,132,133と、3つの排他的論理和手段151,152,153とを備え、最終出力の2値乱数列をそれぞれのSF131〜133の入力にフィードバックするものである。基本的な考えは、図13に示した乱数一様化処理部905と同じなので、詳しい説明は省略する。
The random number
図16にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置160の機能構成例を実施例4として示す。その動作フローを図17に示す。超高速物理乱数生成装置160は、レーザ発振部901と、光検出部902と、0レベル検出部161と、周期ディジタル信号発生部162と、サンプリング処理部163とを備える。レーザ発振部901と、光検出部902とは、上記した超高速物理乱数生成装置900と同じである。
FIG. 16 shows a functional configuration example of an ultrafast physical random number generator 160 using the chaotic laser oscillator of the present invention as a random number source as a fourth embodiment. The operation flow is shown in FIG. The ultrafast physical random number generation device 160 includes a
0レベル検出部161は、光検出部902が出力する交流電気信号の0点を検出する(ステップS161)。周期ディジタル信号発生部162は、レーザ発振部901の出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する(ステップS162)。サンプリング処理部163は、0レベル検出部161が交流電気信号の0点を検出したタイミングで周期ディジタル信号をサンプリングして2値乱数信号を出力する(ステップS163)。
The 0
以上の動作における各信号波形の一例を図18に示す。図18の横軸は時間[ns]、左縦軸は交流電気信号の強度、右縦軸は周期ディジタル信号の値を示す。図18の上から、交流電気信号、周期ディジタル信号(CLK)、2値乱数信号の信号波形を示す。2値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。図18の交流電気信号は、上記したカオスレーザ発振器100が生成した出力光強度信号である。その中心周波数は2.62GHzであり、周期ディジタル信号の周波数はそれよりも高い5GHzに設定されている。出力光強度信号が0の時点を●で示す。そのときの周期ディジタル信号のディジタル値が2値乱数信号に変換される。周期ディジタル信号の周波数を、出力光強度信号の中心周波数よりも高く設定する理由は、サンプリング定理の逆の関係による。つまり、周期ディジタル信号の周波数が、出力光強度信号の中心周波数よりも低いと、出力光強度信号によって周期ディジタル信号の周期性が再生されてしまうからである。
An example of each signal waveform in the above operation is shown in FIG. In FIG. 18, the horizontal axis represents time [ns], the left vertical axis represents the intensity of the AC electrical signal, and the right vertical axis represents the value of the periodic digital signal. From the top of FIG. 18, signal waveforms of an AC electrical signal, a periodic digital signal (CLK), and a binary random number signal are shown. The amplitude of the binary random number signal does not correspond to the vertical axis. 18 is an output light intensity signal generated by the
超高速物理乱数生成装置160でも0レベル検出部161のしきい値を調整することで2値乱数信号列の0の出現頻度が約50%になるようにする。しきい値と0頻度との関係を図19に示す。図19の横軸はしきい値を電圧[V]で、縦軸は0頻度を[%]で示す。しきい値電圧を調整して0の出現頻度が50%に最も近づくようにする。この例では、しきい値を0.048Vに設定した。上記した超高速物理乱数生成装置900のしきい値処理部904よりも、広い電圧範囲(0.03〜0.07V)で0の出現頻度を50%に調整できることが分かる。
Even in the ultra-high-speed physical random number generation device 160, by adjusting the threshold value of the 0
レーザ発振部901を上記した2個のレーザを用いたカオスレーザ発振器500で構成した場合は、カオス的時間振動波形の周波数が高く出来るのでより高速に2値乱数信号列を生成することが可能になる。また、上記したように、2値乱数値の品質を向上する目的で、乱数一様化処理部905を更に設けても良い。
When the
図20にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置200の機能構成例を実施例5として示す。動作フローを図21に示す。超高速物理乱数生成装置200は、レーザ発振部901と、光検出部902と、0レベル検出部161と、第2レーザ発振部201と、第2光検出部202と、サンプリング処理部163とを備える。超高速物理乱数生成装置200は、上記した超高速物理乱数生成装置160の周期ディジタル信号発生部162を、第2レーザ発振部201と、第2光検出部202とに置き換えたものである。
FIG. 20 shows a functional configuration example of an ultrahigh-speed physical random number generation apparatus 200 using the chaotic laser oscillator of the present invention as a random number source as a fifth embodiment. The operation flow is shown in FIG. The ultrafast physical random number generation device 200 includes a
第2レーザ発振部201は、実施例1又は2で説明済みのカオスレーザ発振器である。第2レーザ発振部201の出力するカオス状態の出力光強度信号は、光検出部202において、交流電気信号に変換される(ステップS202)。実施例5は、光検出部202が出力する交流電気信号を、サンプリング処理部163でサンプリングするようにしたものである。サンプリング処理は、0レベル検出部161が光検出部202の出力する交流電気信号の0レベルを検出したタイミングで行われる。
The second
その様子を図22に示す。図22の横軸は時間[ns]、左縦軸はレーザ発振部901の出力する交流電気信号の強度、右縦軸は第2レーザ発振部201の出力する交流電気信号の強度を示す。図22の上から、光検出部902が出力する交流電気信号、第2光検出部202が出力する交流電気信号、2値乱数信号の、各信号波形を示す。光検出部902が出力する交流電気信号に重ねて表記する●が、0レベル検出部161が検出する0レベルであり、このタイミングで第2光検出部202の出力する交流電気信号が2値乱数信号に変換される。そのタイミングにおける第2光検出部202の出力信号のレベルがしきい値(例えば0)以上であればディジタルビットは“1”に、しきい値未満であれば“0”に変換されて2値乱数信号列となる。2値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。
This is shown in FIG. 22, the horizontal axis represents time [ns], the left vertical axis represents the intensity of the AC electrical signal output from the
このように周期ディジタル信号発生部162をレーザ発振部201と光検出部202で構成しても、超高速物理乱数生成装置が実現可能である。
Thus, even if the periodic
図23にこの発明のカオスレーザ発振器を乱数源に用いた超高速物理乱数生成装置230の機能構成例を実施例6として示す。動作フローを図24に示す。超高速物理乱数生成装置230は、レーザ発振部901と、光検出部902と、しきい値処理部904と、第2レーザ発振部231と、第2光検出部232と、しきい値処理部233と、周期クロック発生部903と、排他的論理和手段234とを備える。超高速物理乱数生成装置230は、上記した超高速物理乱数生成装置900のレーザ発振部901〜しきい値処理部904の構成と同じ第2レーザ発振部231〜しきい値処理部233の構成を新たに設け、それぞれのしきい値処理部904,233が出力する2値乱数信号の排他的論理和を、排他的論理和手段234で取るようにしたものである。
FIG. 23 shows a functional configuration example of an ultrafast physical random number generator 230 using the chaotic laser oscillator of the present invention as a random number source as a sixth embodiment. The operation flow is shown in FIG. The ultrafast physical random number generator 230 includes a
ここでレーザ発振部901と第2レーザ発振部231の一具体例を示す。各レーザは、光通信用DFB半導体レーザ(型番NLK1555CCA)とし、それぞれの注入電流を12.0mAとした。レーザ発振部901の外部共振器長を2.0m、第2レーザ発振部231の外部共振器長を1.4mに設定した。その結果、レーザ発振部901は、出力光強度信号の中心周波数が2.62GHzで外部共振周波数75.0MHz、第2レーザ発振部231は、出力光強度信号の中心周波数が3.42GHzで外部共振周波数108.0MHzとした。
Here, a specific example of the
レーザ発振部901と第2レーザ発振部231の出力光強度信号のRFスペクトルを図25に示す。横軸は周波数[GHz]、縦軸はパワー[dBm]である。図25(a)はレーザ発振部901、図25(b)は第2レーザ発振部231の特性である。また、図25(c)と(d)はそれぞれの周波数軸を拡大した特性を示す。図26にそれぞれを時間領域で観測した特性と、自己相関係数を示す。図26(a)と(c)がレーザ発振部901の特性、図26(b)と(d)が第2レーザ発振部231の特性である。このようにレーザ発振部901と、第2レーザ発振部231の外部共振周波数を非整数比に設定すると、上記して説明したように自己相関係数が大きくなるタイミングが同期し難くなるので無相関な乱数を生成できる。またレーザ発振部901と第2レーザ発振部231の出力光強度信号の中心周波数を非整数比に設定すると、同様の理由により無相関な乱数を生成できる。なお、レーザ発振部901と第2レーザ発振部231を実施例2に示したカオスレーザ発振器で構成しても良い。
FIG. 25 shows RF spectra of output light intensity signals from the
光検出部902と第2光検出部232は、上記した超高速物理乱数生成装置200と同じもので良い。しきい値処理部904と232は、周期クロック発生部903の出力する周期クロックのタイミングで光検出部902と232が出力する交流電気信号を2値乱数信号に変換する(ステップS904とステップS233)。しきい値処理部904と233でそれぞれ変換された2値乱数信号は、排他的論理和手段234に入力されて1つの2値乱数信号列とされる(ステップS234)。その様子を図27に示す。図27(a)は交流電気信号を示す。図27(b)は図27(a)の交流電気信号を同一時刻でディジタル値に変換した2値乱数信号を示す。横軸は時間[ns]、図27(a)の縦軸は交流電気信号の強度、(b)の縦軸はディジタルビットの値を示す。
The
図27(a)に示す上の信号が光検出部902の出力する交流電気信号、下が第2光検出部232の出力する交流電気信号である。周期クロック発生部903の出力する周期クロック信号のタイミングを●で示してそれぞれの波形に重ねて表記する。●のタイミングの交流電気信号を2値乱数信号に変換した結果が図27(b)である。
The upper signal shown in FIG. 27A is an AC electrical signal output from the
図27(b)に示す上の信号が、光検出部902の出力する交流電気信号をしきい値処理部904で2値乱数信号に変換した信号であり、下が第2光検出部232の出力する交流電気信号をしきい値処理部233で2値乱数信号に変換した信号である。それぞれの交流電気信号のレベルがしきい値(例えば0)以上であればディジタルビットは“1”に、しきい値未満であれば“0”に変換されている。それぞれ変換された2値乱数信号は、排他的論理和手段234に入力されて、図27(b)の最下段に示すように1つの2値乱数信号列とされる。図27(b)に示す各2値乱数信号の振幅は縦軸に対応していない。
The upper signal shown in FIG. 27B is a signal obtained by converting the AC electrical signal output from the
それぞれのしきい値処理部904,233が出力する2値乱数信号に対して排他的論理和手段234で排他的論理和を演算し、その出力である2値乱数信号の0の出現頻度が50%になるようにしきい値を調整する。しきい値と0頻度との関係を図28に示す。横軸はしきい値を電圧[V]で、縦軸は0頻度を[%]で示す。初めにしきい値処理部904を調整して、排他的論理和手段234の出力信号の0頻度を50%に最も近くなるようにする(ステップS904)。その特性例が図28(a)である。しきい値処理部904のしきい値を0.008Vにすることで排他的論理和手段234が出力する2値乱数信号の0頻度を50%に最も近づけて調整する。
The exclusive OR means 234 calculates the exclusive OR for the binary random number signals output from the respective
次にしきい値処理部233を調整して、排他的論理和手段234の出力する0頻度の変化を計測した結果が図28(b)である。しきい値処理部904の調整感度約0.051%/0.008V(図28(a)参照)に対して、しきい値処理部233の調整感度は約0.0125%/0.008Vと約4倍の感度を持つ。したがって、しきい値処理部が1個の場合よりも0頻度の調整が行い易い。また、高感度なのでしきい値の電圧調整分解能を高めることで、0頻度の調整を正確に行うことができる。図28(b)に示す例では、しきい値処理部233の調整分解能が0.008Vである関係から、最終的な排他的論理和手段234の出力する0頻度を49.996%に調整できた(ステップS233)。
Next, FIG. 28B shows a result obtained by adjusting the
このように実施例6の場合は、独立な2つのしきい値調整部904,233を有しているために、乱数性向上に必要な0頻度の調整の自由度を高められる効果が得られる。さらに、2系統のカオスレーザ発振部の出力信号を混ぜ合わせるのでより品質の高い乱数が得られる。実施例6の構成の超高速物理乱数生成装置230で生成された2値乱数信号の品質については後述する。
As described above, in the case of the sixth embodiment, since there are two independent threshold
2系統のカオスレーザ発振部を利用する構成では、出力光強度信号のRFスペクトルの振幅の大きさが2値乱数の品質に影響する傾向も変ってくる。レーザ発振部901と第2レーザ発振部231の出力光強度信号のRFスペクトルの振幅を、光減衰フィルタで変化させ、乱数検定方式NIST SP800-22の合格項目数の変化を見た結果を図29に示す。図29はレーザ発振部901と第2レーザ発振部231の注入電流を19mA一定として、それぞれの光減衰フィルタの透過率を100〜26.8%の範囲で可変した場合の合格項目数を示す。横方向はレーザ発振部901、縦方向は第2レーザ発振部231の透過率である。それぞれの透過率を41.6%以上にすることで合格項目数が大きく増える特性を示す。この透過率を可変した場合のRFスペクトルの振幅の変化は、上記した図4と同じ特性であり、透過率が33.4%の時のRFスペクトルの振幅が24.33dB、透過率41.6%の時が13.67dBである。したがって、2系統のカオスレーザ発振部を利用する構成では、それぞれのRFスペクトルの振幅を20dB以下に設定すれば、より良い品質の2値乱数信号が得られることが分かる。
In the configuration using two chaotic laser oscillation units, the tendency that the magnitude of the RF spectrum amplitude of the output light intensity signal affects the quality of the binary random number also changes. FIG. 29 shows the result of changing the number of pass items of the random number test method NIST SP800-22 by changing the amplitude of the RF spectrum of the output light intensity signal of the
〔乱数評価結果〕
実施例3の超高速物理乱数生成装置900を構成して得られた2値乱数信号の品質を評価した。光通信用DFB半導体レーザ(型番NLK1555CCA)を用いて、注入電流値を12.0mA、外部共振器長を2.0m、周期クロック信号を1GHzとして毎秒1Gビットの速度で超高速物理乱数生成装置900が生成した2値乱数信号列を可視化した図を図30に示す。図30は、2値乱数信号列の“0”を白、“1”を黒として500×500の2次元平面に単純に記載したものである。この図は乱数生成装置の品質を評価するものとして一般的に使用されるものである。白黒の模様に規則性が見られないのでランダム性の高い2値乱数信号列が生成されていることが分かる。
[Random number evaluation result]
The quality of the binary random number signal obtained by configuring the ultrahigh-speed physical random number generation device 900 of Example 3 was evaluated. Using a DFB semiconductor laser (model number NLK1555CCA) for optical communication, an ultrahigh-speed physical random number generator 900 at a speed of 1 Gbit / sec with an injection current value of 12.0 mA, an external resonator length of 2.0 m, a periodic clock signal of 1 GHz FIG. 30 is a diagram in which the binary random number signal sequence generated by is visualized. FIG. 30 simply shows a binary random number signal sequence on a 500 × 500 two-dimensional plane with “0” being white and “1” being black. This figure is generally used for evaluating the quality of a random number generator. Since regularity is not seen in the black and white pattern, it can be seen that a highly random binary random number signal sequence is generated.
この2値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を図31に示す。検定法としては15項目あり、各検定法に対するp-valueの平均値とproportion値と検定結果を示している。p-valueは、真の乱数よりも乱数性が高い確率のことであり、0.01以上で合格となる。proportion値は、p-valueの一様性を示しており、1Gビットのデータを乱数検定に用いる場合には0.9806から0.9994の範囲で合格となる。検定法の「ランク検定」と、「ランダム偏差検定」と、「種々のランダム偏差検定」と、「線形複雑度検定」の4項目が合格した。合格項目数が多いほど、良い品質の乱数であるといえるが、項目数が少なくても用途によって十分使用可能である。 FIG. 31 shows the result of testing this binary random number signal sequence by the random number test method NIST SP800-22. There are 15 items as the test method, and the average value, the proportion value and the test result of the p-value for each test method are shown. The p-value is a probability that the randomness is higher than that of a true random number, and passes when the value is 0.01 or more. The proportion value indicates the uniformity of the p-value, and when 1 Gbit data is used for the random number test, it passes in the range of 0.9806 to 0.9994. The four items of the “Rank test”, “Random deviation test”, “Various random deviation test”, and “Linear complexity test” passed. It can be said that the larger the number of accepted items, the better the quality of the random number, but even if the number of items is small, it can be used sufficiently depending on the application.
2値乱数信号列に上記した乱数一様化処理を施すと、乱数列の品質を向上させることが出来る。その結果を図32に示す。図32(a)と(b)は、図13に一例を示して説明した乱数一様化処理部905のSFの段数を可変して、乱数検定方式NIST SP800-22の合格項目の変化を見た結果である。横軸はSFの段数、縦軸は評価項目合格数である。図32(a)は図15に示したフィードバック有りの乱数一様化処理の場合、図32(b)は図13に示したフィードバック無しの場合である。どちらもSFの段数を4段以上にすることで、15項目全てに合格することが分かる。
When the random number uniformization process described above is performed on the binary random number signal sequence, the quality of the random number sequence can be improved. The result is shown in FIG. 32 (a) and 32 (b) show the change of the pass items of the random number test method NIST SP800-22 by changing the number of SF stages of the random number
図32(c)と(d)は、横軸をシフトビット数とした場合である。図32(c)はフィードバック有りの場合、図32(d)はフィードバック無しの場合である。フィードバック有りの場合は、シフトビット数を増加させれば合格項目数が増加する特性を示す。フィードバック無しの場合は、シフトビット数を単純に増やしただけでは、合格項目数が増加しない。SFの段数を増やす方が効果的である。超高速物理乱数生成装置900の構成の場合は、乱数検定方式NIST SP800-22による評価項目の全てに合格するためには乱数一様化処理が必要である。 FIGS. 32C and 32D show the case where the horizontal axis is the number of shift bits. FIG. 32C shows the case with feedback, and FIG. 32D shows the case without feedback. In the case of feedback, the number of accepted items increases as the number of shift bits is increased. Without feedback, simply increasing the number of shift bits does not increase the number of accepted items. Increasing the number of SF stages is more effective. In the case of the configuration of the ultra-high speed physical random number generation apparatus 900, random number equalization processing is necessary to pass all the evaluation items according to the random number test method NIST SP800-22.
また、実施例6の超高速物理乱数生成装置230を構成して得られた2値乱数信号の品質を評価した。上記した実験(実施例3の評価)と同じ光通信用DFB半導体レーザ(型番NLK1555CCA)を用いた。レーザ発振部901の注入電流を12.0mA、出力光強度信号の中心周波数を2.62GHz、外部共振器長を2.0mに設定した。また、第2レーザ発振部231の注入電流を12.0mA、出力光強度信号の中心周波数を3.42GHz、外部共振器長を1.4mに設定した。周期クロック信号を1.0GHzとして毎秒1Gビットの速度で超高速物理乱数生成装置230が生成した2値乱数信号列を可視化した図を図33に示す。図33は、上記した図30と同じ2値乱数信号列の“0”を白、“1”を黒として500×500の2次元平面に単純に記載したものである。
In addition, the quality of the binary random number signal obtained by configuring the ultra-high speed physical random number generator 230 of Example 6 was evaluated. The same DFB semiconductor laser for optical communication (model number NLK1555CCA) as in the above experiment (evaluation of Example 3) was used. The injection current of the
この2値乱数信号列を乱数検定方式NIST SP800-22で検定した結果を図34に示す。図34は、上記した図31と同じものである。全ての検定法に合格する結果が得られた。更に国際的に標準である検定方式としてフロリダ大学が提案しているDIEHARDがある。これは18項目からなる乱数検定方式であり、NIST SP800-22と同じようにp-valueが計算される。DIEHARDで検定した結果を図35に示す。図35の横軸はp-valueであり、縦軸は評価項目番号である。各評価項目番号において、p-valueが0〜1の間に一様に分布していれば合格となる。18項目全てに合格していることが分かる。このように超高速物理乱数生成装置230の構成の場合は、乱数一様化処理を用いずとも、乱数検定方式NIST SP800-22による評価項目の全てに合格するような高品質な乱数を生成できる。 FIG. 34 shows the result of testing this binary random number signal sequence by the random number test method NIST SP800-22. FIG. 34 is the same as FIG. 31 described above. Results that pass all tests were obtained. In addition, there is DIEHARD, which is proposed by the University of Florida as an international standard. This is a random number test method consisting of 18 items, and the p-value is calculated in the same manner as NIST SP800-22. The results of testing with DIEHARD are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 35 is p-value, and the vertical axis is the evaluation item number. In each evaluation item number, if the p-value is uniformly distributed between 0 and 1, it is passed. It turns out that it passed all 18 items. Thus, in the case of the configuration of the ultra-high speed physical random number generator 230, high quality random numbers that pass all the evaluation items according to the random number test method NIST SP800-22 are generated without using random number equalization processing. it can.
ここでレーザ発振部901及び第2レーザ発振部231の外部共振器長を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を図36に示す。横方向はレーザ発振部901、縦方向は第2レーザ発振部231の外部共振器長である。それぞれの外部共振器長が一致する対角線上の合格項目数が、少ないのが分かる。これはレーザ発振部901と第2レーザ発振部231の外部共振器長が同じであると外部共振周波数がほぼ同じ値になり、周期クロック発生部903が生成するクロック周波数と、レーザ発振部の出力光強度信号の自己相関係数が大きくなるタイミングとが同期し易くなるためであると考えられる。また、それぞれの外部共振器長が整数比になるレーザ発振部901の外部共振器長2.8mと、第2レーザ発振部231の外部共振器長1.4mの組み合わせでも合格項目数が減少している。よって、それぞれの外部共振器長は非整数比に設定することが望ましいことが分かる。
Here, FIG. 36 shows the change in the number of pass items for NIST SP800-22 when the external resonator lengths of the
次に、それぞれのレーザの注入電流値を可変した場合のNIST SP800-22の検定合格項目数の変化を図37に示す。図36と同じように横方向はレーザ発振部901、縦方向は第2レーザ発振部231の注入電流値である。外部共振器長と同じように、それぞれのレーザ発振部901,231の注入電流値が一致する対角線上の合格項目数が少ない特性を示す。これは、それぞれの注入電流値を同じ値に設定するとそれぞれの出力光強度信号の中心周波数同士が近い値となり、出力光強度信号の自己相関係数が大きくなるタイミングと周期クロック発生部903が生成するクロック周波数とが同期する確率が高くなるためだと考えられる。したがって、それぞれのレーザ発振部の注入電流の値も非整数比に設定した方が望ましい。
Next, FIG. 37 shows changes in the number of NIST SP800-22 test pass items when the injection current value of each laser is varied. 36, the horizontal direction is the injection current value of the
さらに実施例2のカオスレーザ発振器500と実施例6の超高速物理乱数生成装置230を組み合わせることで、カオスレーザ発振器から12GHzの周波数帯域を持つ出力光強度信号を作成し、毎秒3.1Gビットの速度で2値乱数生成を実現した。生成された乱数は、NIST SP800-22およびDIEHARDの乱数検定項目全てに合格することができた。 Further, by combining the chaotic laser oscillator 500 of the second embodiment and the ultrahigh-speed physical random number generator 230 of the sixth embodiment, an output light intensity signal having a frequency band of 12 GHz is generated from the chaotic laser oscillator, and 3.1 Gbits per second is generated. Realized binary random number generation at speed. The generated random numbers were able to pass all the random test items of NIST SP800-22 and DIEHARD.
以上述べたように、この発明の超高速物理乱数生成装置によれば、毎秒1Gビット以上
の速度で2値乱数信号列を簡単に生成することが可能になる。なお、上記した実施例では
2値乱数信号の生成速度を毎秒1〜3.1Gビット程度の例で説明したが、この発明の超高速物理乱数生成装置を並列に接続することで、毎秒100Gビット程度の生成速度も実現可能である。または、この発明のカオスレーザ発振器自体が生成するカオス発振状態の出力光強度信号の中心周波数を100GHz程度に設定しても良い。
As described above, according to the ultra-high speed physical random number generator of the present invention, it is possible to easily generate a binary random number signal sequence at a speed of 1 Gbit / second or more. In the above-described embodiment, the generation speed of the binary random number signal has been described with an example of about 1 to 3.1 Gbit / s. However, by connecting the ultra-high speed physical random number generator of the present invention in parallel, 100 Gbit / s. A degree of generation speed is also feasible. Alternatively, the center frequency of the output light intensity signal in the chaotic oscillation state generated by the chaotic laser oscillator of the present invention may be set to about 100 GHz.
また、上記した説明では2値乱数信号列を生成する例のみを示して説明したが、この発
明の技術思想はこの例に限定されない。この発明の考えに基づいて生成した2値乱数信号列を、一度メモリに記録した後に任意のビット長で読み出すことで、所望のビット長の乱数信号に変換することも可能である。
In the above description, only an example of generating a binary random number signal sequence has been described. However, the technical idea of the present invention is not limited to this example. The binary random number signal sequence generated based on the idea of the present invention can be converted into a random number signal having a desired bit length by reading the binary random number signal sequence once in a memory and then reading it with an arbitrary bit length.
また、上記方法及び装置において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。 Further, the processes described in the above method and apparatus are not only executed in time series according to the order of description, but also may be executed in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processes. Good.
また、上記装置における処理手段をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、各装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。 Further, when the processing means in the above apparatus is realized by a computer, the processing contents of functions that each apparatus should have are described by a program. Then, by executing this program on the computer, the processing means in each apparatus is realized on the computer.
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD(Digital Versatile Disc)、DVD−RAM(Random Access Memory)、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Recordable)/RW(ReWritable)等を、光磁気記録媒体として、MO(Magneto Optical disc)等を、半導体メモリとしてEEP−ROM(Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory)等を用いることができる。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. As the computer-readable recording medium, for example, any recording medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, and a semiconductor memory may be used. Specifically, for example, as a magnetic recording device, a hard disk device, a flexible disk, a magnetic tape or the like, and as an optical disk, a DVD (Digital Versatile Disc), a DVD-RAM (Random Access Memory), a CD-ROM (Compact Disc Read Only). Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc., magneto-optical recording medium, MO (Magneto Optical disc), etc., semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory), etc. Can be used.
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。 The program is distributed by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Further, the program may be distributed by storing the program in a recording device of a server computer and transferring the program from the server computer to another computer via a network.
また、各手段は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。 Each means may be configured by executing a predetermined program on a computer, or at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
Claims (12)
上記レーザの注入電流を制御する注入電流制御部と、外部鏡と光減衰フィルタを備えた外部共振器とからなる複合共振レーザにおいて、
上記外部共振器における光の往復時間の逆数に対応する外部共振周波数が、2値乱数を生成するクロック周波数に対して非整数比に設定され、
上記複合共振レーザの出力光強度信号の中心周波数が、上記クロック周波数以上で、且つ、上記クロック周波数に対して非整数比に設定され、
上記複合共振レーザの出力光強度信号のRFスペクトルの振幅の高低が上記振幅の調整
幅の25dB以下に設定され、
上記複合共振レーザの出力光強度信号が不規則に振動するカオス発振状態に設定されて
いることを特徴とするカオスレーザ発振器。 Laser,
In a composite resonance laser comprising an injection current control unit for controlling the injection current of the laser, and an external resonator including an external mirror and an optical attenuation filter,
The external resonance frequency corresponding to the reciprocal of the round trip time of light in the external resonator is set to a non-integer ratio with respect to the clock frequency for generating a binary random number,
The center frequency of the output light intensity signal of the composite resonant laser is set to be equal to or higher than the clock frequency and a non-integer ratio to the clock frequency,
The amplitude level of the RF spectrum of the output light intensity signal of the composite resonant laser is set to 25 dB or less of the amplitude adjustment width,
A chaotic laser oscillator, characterized in that the output light intensity signal of the composite resonant laser is set in a chaotic oscillation state in which it oscillates irregularly.
上記第1レーザと第2レーザは、上記第2レーザに上記第1レーザの出力光強度信号が注入されて上記第2レーザの出力光強度信号が外部に出力されるように構成され、
上記第2レーザの外部共振周波数は、上記第1レーザの外部共振周波数に対して非整数比に設定され、
更に、上記第2レーザの波長は、上記第1レーザの出力光強度信号を注入した際に、上記第2レーザの出力光強度信号のRFスペクトルの周波数方向の幅が、上記第1レーザの出力光強度信号を未注入のときよりも広くなるように設定されたことを特徴とするカオスレーザ発振器。 A first laser and a second laser that are the chaotic laser oscillator according to claim 1, and a temperature control unit that controls the temperature of each,
The first laser and the second laser are configured such that an output light intensity signal of the first laser is injected into the second laser and an output light intensity signal of the second laser is output to the outside.
The external resonance frequency of the second laser is set to a non-integer ratio with respect to the external resonance frequency of the first laser,
Further, the wavelength of the second laser is such that when the output light intensity signal of the first laser is injected, the width in the frequency direction of the RF spectrum of the output light intensity signal of the second laser is the output of the first laser. A chaotic laser oscillator characterized in that the light intensity signal is set to be wider than that when no injection is performed.
上記レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出部と、
周期クロックを発生する周期クロック発生部と、
上記周期クロックのタイミングで上記光検出部が出力する上記交流電気信号を2値乱数信号に変換するしきい値処理部と、
を具備する超高速物理乱数生成装置。 A laser oscillation unit comprising the chaotic laser oscillator according to claim 1 or 2,
A light detection unit that converts an output light intensity signal of the laser oscillation unit into an AC electrical signal;
A periodic clock generator for generating a periodic clock;
A threshold processing unit for converting the AC electrical signal output from the light detection unit at a timing of the periodic clock into a binary random number signal;
An ultrahigh-speed physical random number generator.
上記レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出部と、
上記交流電気信号の0点を検出する0レベル検出部と、
上記出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する周期ディジタル信号発生部と、
上記0点を検出したタイミングで上記周期ディジタル信号をサンプリングして2値乱数信号を出力するサンプリング処理部と、
を具備する超高速物理乱数生成装置。 A laser oscillation unit comprising the chaotic laser oscillator according to claim 1 or 2,
A light detection unit that converts an output light intensity signal of the laser oscillation unit into an AC electrical signal;
A zero level detection unit for detecting zero point of the AC electric signal;
A periodic digital signal generator for generating a periodic digital signal faster than the center frequency of the output light intensity signal;
A sampling processing unit that samples the periodic digital signal at the timing when the zero point is detected and outputs a binary random number signal;
An ultrahigh-speed physical random number generator.
上記周期ディジタル信号発生部が、上記請求項1又は2に記載のカオスレーザ発振器から成る第2レーザ発振部と、上記第2レーザ発振部の出力光強度信号を交流電気信号に変換する第2光検出部とで構成されることを特徴とする超高速物理乱数生成装置。 In the ultrahigh-speed physical random number generator according to claim 4,
The periodic digital signal generation unit includes a second laser oscillation unit including the chaotic laser oscillator according to claim 1 and a second light that converts an output light intensity signal of the second laser oscillation unit into an AC electric signal. An ultra-high-speed physical random number generation device comprising a detection unit.
上記第1と第2のレーザ発振部の出力光強度信号をそれぞれ第1と第2の交流電気信号に変換する第1光検出部と第2光検出部と、
周期クロックを発生する周期クロック発生部と、
上記周期クロックのタイミングで上記第1光検出部が出力する上記第1の交流電気信号を2値信号に変換する第1しきい値処理部と、
上記周期クロックのタイミングで上記第2光検出部が出力する上記第2の交流電気信号を2値信号に変換する第2しきい値処理部と、
上記第1しきい値処理部と、第2しきい値処理部の出力する上記2値信号の排他的論理和を出力信号とする排他的論理和手段と、
を具備する超高速物理乱数生成装置。 A first laser oscillation unit and a second laser oscillation unit comprising the chaotic laser oscillator according to claim 1;
A first light detection unit and a second light detection unit for converting the output light intensity signals of the first and second laser oscillation units into first and second AC electric signals, respectively;
A periodic clock generator for generating a periodic clock;
A first threshold value processing unit for converting the first AC electric signal output by the first light detection unit at a timing of the periodic clock into a binary signal;
A second threshold value processing unit for converting the second AC electrical signal output by the second photodetection unit at a timing of the periodic clock into a binary signal;
An exclusive OR means having an exclusive OR of the binary signal output from the first threshold processing unit and the second threshold processing unit as an output signal;
An ultrahigh-speed physical random number generator.
光検出部が、上記出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出過程と、
周期クロック発生部が、周期クロックを発生する周期クロック発生過程と、
しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記光検出部が出力する上記交流電気信号を2値信号に変換するしきい値処理過程と、
を備える超高速物理乱数生成方法。 A laser oscillation process in which a laser oscillation unit generates an output light intensity signal in a chaotic oscillation state;
A light detecting unit that converts the output light intensity signal into an AC electrical signal; and
A periodic clock generating unit for generating a periodic clock;
A threshold processing step in which a threshold processing unit converts the AC electric signal output from the light detection unit into a binary signal at the timing of the periodic clock;
An ultrafast physical random number generation method comprising:
光検出部が、上記出力光強度信号を交流電気信号に変換する光検出過程と、
0レベル検出部が、上記交流電気信号の0点を検出する0レベル検出過程と、
周期ディジタル信号発生部が、上記出力光強度信号の中心周波数よりも高速な周期ディジタル信号を生成する周期ディジタル信号発生過程と、
サンプリング処理部が、上記0点を検出したタイミングで上記周期ディジタル信号をサンプリングして2値信号を出力するサンプリング処理過程と、
を備える超高速物理乱数生成方法。 A laser oscillation process in which a laser oscillation unit generates an output light intensity signal in a chaotic oscillation state;
A light detecting unit that converts the output light intensity signal into an AC electrical signal; and
A zero level detection process in which a zero level detector detects the zero point of the AC electrical signal;
A periodic digital signal generating unit for generating a periodic digital signal faster than the center frequency of the output light intensity signal;
A sampling process in which the sampling processing unit samples the periodic digital signal at the timing when the zero point is detected and outputs a binary signal;
An ultrafast physical random number generation method comprising:
上記周期ディジタル信号発生過程は、
第2レーザ発振部がカオス発振状態の出力光強度信号を発生するステップと、
第2光検出部が上記出力光強度信号を交流電気信号に変換するステップと、
から成ることを特徴とする超高速物理乱数生成方法。 In the ultra-high speed physical random number generation method according to claim 8,
The periodic digital signal generation process is as follows:
A step of generating an output light intensity signal in a chaotic oscillation state by the second laser oscillation unit;
A second light detection unit converting the output light intensity signal into an AC electrical signal;
An ultra-high speed physical random number generation method comprising:
第1光検出部と第2光検出部とが、上記第1、第2のレーザ発振部の出力光強度信号をそれぞれ交流電気信号に変換する光検出過程と、
周期クロック発生部が、周期クロックを発生する周期クロック発生過程と、
第1しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記第1光検出部が出力する上記交流電気信号を2値信号に変換する第1しきい値処理過程と、
第2しきい値処理部が、上記周期クロックのタイミングで上記第2光検出部が出力する上記交流電気信号を2値信号に変換する第2しきい値処理過程と、
排他的論理和手段が、上記第1しきい値処理部と、第2しきい値処理部の出力する上記2値信号の排他的論理和を出力信号とする排他的論理和過程と、
を備える超高速物理乱数生成方法。 A laser oscillation process in which the first laser oscillation unit and the second laser oscillation unit respectively generate an output light intensity signal in a chaotic oscillation state;
A light detection process in which the first light detection unit and the second light detection unit respectively convert the output light intensity signals of the first and second laser oscillation units into AC electric signals;
A periodic clock generating unit for generating a periodic clock;
A first threshold value processing unit, wherein the first threshold value processing unit converts the AC electric signal output from the first light detection unit into a binary signal at the timing of the periodic clock;
A second threshold value processing unit, wherein the second threshold value processing unit converts the AC electric signal output from the second photodetection unit at a timing of the periodic clock into a binary signal;
An exclusive OR means, wherein an exclusive OR process using an exclusive OR of the binary signal output from the first threshold processing unit and the second threshold processing unit as an output signal;
An ultrafast physical random number generation method comprising:
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