EP4073932A1 - Device for generating random numbers - Google Patents

Device for generating random numbers

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Publication number
EP4073932A1
EP4073932A1 EP20824432.7A EP20824432A EP4073932A1 EP 4073932 A1 EP4073932 A1 EP 4073932A1 EP 20824432 A EP20824432 A EP 20824432A EP 4073932 A1 EP4073932 A1 EP 4073932A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
detector
source
pulse
predetermined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20824432.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerhard Humer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Original Assignee
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AIT Austrian Institute of Technology GmbH filed Critical AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Publication of EP4073932A1 publication Critical patent/EP4073932A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/13Arrangements having a single output and transforming input signals into pulses delivered at desired time intervals
    • H03K5/135Arrangements having a single output and transforming input signals into pulses delivered at desired time intervals by the use of time reference signals, e.g. clock signals
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58Random or pseudo-random number generators
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58Random or pseudo-random number generators
    • G06F7/582Pseudo-random number generators
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled
    • G06F7/58Random or pseudo-random number generators
    • G06F7/588Random number generators, i.e. based on natural stochastic processes
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/84Generating pulses having a predetermined statistical distribution of a parameter, e.g. random pulse generators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01Shaping pulses
    • H03K5/08Shaping pulses by limiting; by thresholding; by slicing, i.e. combined limiting and thresholding
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852Quantum cryptography
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0866Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords involving user or device identifiers, e.g. serial number, physical or biometrical information, DNA, hand-signature or measurable physical characteristics

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating random numbers according to patent claims 1 and 7, respectively.
  • a signal is emitted by means of a generator, which signal is possibly weakened and detected by a receiver. If the receiver detects a relevant signal within a specified time range, the random number generator specifies a related value for this time range, otherwise the random number generator specifies 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.
  • the object of the invention is therefore to generate a random signal based on the present arrangement, which generates a random signal with a higher data rate.
  • the invention solves this problem in a device of the type mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1.
  • time interval corresponds in particular to the maximum time span within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span.
  • 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), starting with repeated at another start time.
  • the invention also relates to a device for generating random numbers. According to the invention, the following is provided:
  • an attenuator located between the source and the detector to suppress the energy or pulses emitted by the source
  • a time measuring device for determining the time span between a predetermined starting time and the time when a pulse is detected by the detector.
  • a control unit 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 temporal course of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution and / or that a pulse is detected within a predetermined time range, and
  • time interval corresponds in particular to the maximum time span within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span
  • the data rate of the random signal can be increased further if a control unit is provided which is designed to
  • the time measuring device to set a new starting time 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
  • control unit again controls the temporal course of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution and / or that a pulse is detected within a predetermined time range.
  • the source is formed by a laser
  • An attenuator in the form of a Mach-Zehnder interferometer is connected downstream, and that in turn
  • a detector in the form of an optical single photon detector is connected downstream.
  • a particularly advantageous device according to the invention in which a noise signal is used to generate random numbers can be provided if
  • an electronic detector is provided as the detector, which detects a pulse when the electrical noise signal exceeds a predetermined threshold value
  • the manipulated variable is specified by amplifying or weakening the noise signal and by changing the threshold value for the noise signal.
  • a manipulated variable is selected by the control unit in such a way that a uniform distribution or a Gaussian distribution results as a random distribution.
  • FIG. 1 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.
  • radioactive sources sources for quantum fluctuations based on the tunnel effect, a quantum mechanical nondeterministic effect.
  • electrical noise sources it is also possible, for example, to use radioactive sources, sources for quantum fluctuations based on the tunnel effect, a quantum mechanical nondeterministic effect.
  • the attenuator 1 also shows an attenuator which is connected downstream of the source 1 and is designed to partially suppress or attenuate the pulses or signals emitted by the source 1.
  • the attenuator 2 is a Mach-Zehnder interferometer which, due to electro-optical effects, is designed to transmit the laser light emitted by the source 1 to one of two outputs, so that the light emitted at one of the both Outputs of the attenuator 2 is present, has only a predetermined proportion of the total light from the light source.
  • electrical attenuators or radioactive shielding materials can be used.
  • the output of the attenuator 2 is followed by a detector 3 which is designed to detect the pulses generated by the source 1 and attenuated by the attenuator 2.
  • this is a single photon detector.
  • other detectors can also be used which are designed to detect the pulses which are based on correspondingly different physical phenomena. These are, for example, detectors for radioactive decay or electrical or electronic detectors.
  • a device according to the invention 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 immediately after the source 1.
  • FIG. 1 shows a time measuring device 5 which is designed to determine the time span between a predetermined starting time T 0 and time T P of the detection of a pulse by the detector 3.
  • a time measuring device 5 which is designed to determine the time span between a predetermined starting time T 0 and time T P of the detection of a pulse by the detector 3.
  • a control unit 4 which is designed to control the source 1, the detector 3 and the attenuator 2.
  • the control unit 4 regulates the probability of the detection of a pulse in this way and can vary this over time.
  • the control unit 4 specifies each of the 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 l ⁇ , l 3 , A q , which are each caused by the source 1, the detector 3 and the attenuator 2, have a multiplicative effect on the overall manipulated variable l.
  • the probability q of the emission of pulses by the source 1 can be specified by the control unit 4 as the first sub-manipulated variable.
  • the probability l h of the emission of pulses can be specified by the source by specifying a specific laser current. If the laser current I L exceeds a predetermined threshold value I th , 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 I L.
  • the attenuation effect A of the optical attenuator 2 can be specified as the second manipulated variable.
  • a voltage U A can be specified with which a medium with a variable optical length located in a beam path of the Mach-Zehnder interferometer acting as attenuator 2 can be set accordingly.
  • l 3 l 3 (U A )
  • the efficiency of the detector ie the probability that energy incident on the detector actually leads to a pulse at the output of the detector 3, can also be specified by the control unit 4.
  • an avalanche diode located in the beam of the laser is used as the definition.
  • a bias voltage of 100 V, for example, which is above the breakdown voltage is applied to the avalanche diode.
  • a spontaneous breakdown does not occur until several milliseconds after the voltage has been applied; however, in the case of irradiation, a premature breakdown can be measured.
  • the avalanche diode is operated in Geiger mode, whereby a single photon can trigger the breakdown of the avalanche diode.
  • the voltage U D can be specified within a specified range [U D, min ... U D, max ], in particular a range of a few volts.
  • a SAPD, ie a single photon avalanche photo diode, can preferably be used as the detection.
  • the detector efficiency QE ie the probability that a breakthrough will occur due to a photon pulse, can thus be set by specifying a Detector voltage U D can be varied so that the manipulated variable emanating from the detector depends on the detector voltage.
  • the control unit 4 can specify the probability value that the pulse is present at the output of the detector 3 within a time segment. It is basically possible that the control unit 4 only regulates one manipulated variable from the set of manipulated variables l ⁇ , l 3 , l f namely laser current weakening effect and detector efficiency QE, alternatively the control unit 4 can also control all three of these manipulated variables l ⁇ , l 3 , regulate and thus the probability that a pulse is applied to the detector within a predetermined time span can be varied. The more different manipulated variables are used, the greater the range of adjustable probabilities that a pulse will be applied to the detector 3 within a predetermined period of time.
  • the goal is to produce a uniform distribution of the probability of the occurrence of a pulse at the output of the detector 3, the probability that a pulse at the output of the detector 3 within the first nanosecond after the beginning or The start time is 5%.
  • the aim is to ensure that the probability of a pulse at the detector output within every further nanosecond from the start time to the twentieth nanosecond is in each case 5%.
  • the manipulated variable which results as the product of the probability of the release of energy, the efficiency of the detector 3 and the attenuating effect of the attenuator, will have the function curve l ( ⁇ ) shown in FIG. 2.
  • the manipulated variable for the first nanosecond results according to Wi / At.
  • a manipulated variable li is selected as follows:
  • manipulated variable l p can be determined for the further time intervals as follows:
  • a very large manipulated variable is predefined during the last time interval.
  • h * l 0 * D ⁇ results in exactly the value 1
  • a manipulated variable l p that has a very large or infinite effect is obtained.
  • the largest possible manipulated variable that can be output by the system should be used.
  • the present embodiment of the invention is in no way restricted to the specification of a uniform distribution. Rather, of course, there is also the possibility of specifying deviating distributions, for example a Gaussian distribution.
  • the probability values ie the probabilities that a pulse occurs for the first time in the last time segment T o, are determined by specifying deviating probability values w 1; ..., w n given.
  • the individual manipulated variables can also be specified in accordance with the formulas presented above.
  • each random number formation takes the same length of time.
  • the control unit 4 in each case emits a reset pulse to the time measuring unit 5 and, if necessary, also to the detector 3 and sets the control values in accordance with the predetermined, previously numerically determined time curve. 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 up to or time span for the occurrence of a pulse; in the exemplary 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 how many random numbers occur in one second - in the present exemplary embodiment 50 million random numbers.
  • the random numbers do not appear regularly; however, the occurrence of random numbers can in principle be determined on the basis of the given distribution. Basically, in order to have enough time to save 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 on the detector and the resetting of the time measuring device 5 can be specified become.
  • the result is a probability distribution of the times in the form of an exponential distribution. If such an exponential distribution is desired or post-processing of the

Abstract

The invention relates to a method for generating random numbers, wherein a) a source (1) emits energy, in particular in the form of pulses, with a specified distribution at non-predictable points in time, b) a detector (3) which is connected downstream of the source (1) detects the energy emitted by the source (1), in particular in the form of pulses, c) optionally energy emitted by the source (1) is suppressed or attenuated by an attenuator (2) located between the source (1) and the detector (3), and d) the duration between a specified starting time (t0) and the point in time at which a pulse is detected by the detector (3) is ascertained, wherein the result of the time measurement is used as a random number.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen Device for generating random numbers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen gemäß Patentanspruch 1 bzw. 7. The invention relates to a method and a device for generating random numbers according to patent claims 1 and 7, respectively.
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 signal is possibly weakened and detected by a receiver. If the receiver detects a relevant signal within a specified time range, the random number generator specifies a related value for this time range, otherwise the random number generator specifies 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.
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. This procedure has the major disadvantage that just one bit of random data is generated for each time range. The object of the invention is therefore to generate a random signal based on the present arrangement, which generates a random signal with a higher data rate.
Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 . The invention solves this problem in a device of the type mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1.
Um eine einfache Einstellung der Zufallsverteilung zu ermöglichen, ohne dass ein späteres Postprocessing erforderlich ist, kann vorgesehen sein, In order to enable the random distribution to be set easily without the need for subsequent post-processing, it can be provided
- e) dass der zeitliche Verlauf zumindest einer der folgenden Stellgrößen während der Zeitspanne veränderlich festgelegt wird: - e) that the temporal course of at least one of the following manipulated variables is determined to be variable during the period:
- die Verteilung der abgegebenen Energie durch die Quelle, und/oder - the distribution of the energy emitted 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 - the attenuation caused by the attenuator, and
- f) dass der zeitliche Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt derart vorgegeben wird, - f) that the temporal course of the manipulated variable starting from the start time is specified in such a way,
- dass die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsverteilung entspricht, und/oder - That the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution, and / or
- dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs jedenfalls ein Impuls detektiert wird. 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, - that in any case a pulse is detected within a predetermined time range. In order to obtain a data signal based on regular intervals or at a constant clock rate, provision can be made for the time measurement to be reset after a predetermined time interval has elapsed and for steps a) to d), in particular a) to f), starting with a further one Start time to be repeated,
- wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne. - wherein the time interval corresponds in particular to the maximum time span within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span.
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), starting with repeated at another start time.
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass als Verteilung eine Gleichverteilung oder Gauß-Verteilung vorgegeben wird. It can particularly advantageously be provided that a uniform distribution or Gaussian distribution is specified as the distribution.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen: The invention also relates to a device for generating random numbers. According to the invention, the following is provided:
- eine Quelle, die zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten mit einer vorgegebenen Verteilung Energie, insbesondere in Form von Impulsen, abgibt, - a source that emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution,
- ein Detektor, der der Quelle nach geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, die Energie in Form von Impulsen zu detektieren, - a detector which is connected after 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, undif necessary, an attenuator located between the source and the detector to suppress the energy or pulses emitted by the source, and
- eine Zeitmesseinrichtung zur Ermittlung der Zeitspanne zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt und dem Zeitpunkt der Detektion eines Impulses durch den Detektor. - A time measuring device for determining the time span between a predetermined starting time and the time when a pulse is detected by the detector.
Eine besonders einfache Einstellung der Zufallsverteilung kann gewährleistet werden, wenn A particularly simple setting of the random distribution can be ensured if
- 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 - 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 temporal course of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution and / or that a pulse is detected within a predetermined time range, and
- das Ergebnis, das der Zeitmessung als Zufallszahl zur Verfügung steht. - the result that is available to the time measurement as a random number.
Ein Datensignal basierend auf regelmäßigen Intervallen bzw. mit einer konstanten Taktrate kann vorteilhafterweise bereitgestellt werden, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, 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
- die Zeitmesseinrichtung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zurückzusetzen und einen neuerlichen Startzeitpunkt für eine weitere Bestimmung einer Zufallszahl festzusetzen, - to reset the time measuring device after a specified time interval has elapsed and to set a new starting time for a further determination of a random number,
- wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne, und - wherein the time interval corresponds in particular to the maximum time span within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span, and
- die Steuereinheit mit dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung neuerlich zur Vorgabe eines zeitlichen Verlaufs der Stellgröße zu veranlassen. - by resetting the time measuring device, to cause the control unit again to specify a time profile of the manipulated variable.
Die Datenrate des Zufallssignals kann weiter gesteigert werden, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, The data rate of the random signal can be increased further if a control unit is provided which is designed to
- 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 - the time measuring device to set a new starting time 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
- 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. - With the resetting of the time measuring device, the control unit again controls the temporal course of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution and / or that a pulse is detected within a predetermined time range.
Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Photonen zur Erzeugung von Zufallszahlen genutzt werden, kann bereitgestellt werden, wenn A particularly advantageous device according to the invention in which photons are used to generate random numbers can be provided if
- die Quelle durch einen Laser ausgebildet ist, dem - The source is formed by a laser, the
- ein Abschwächer in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers nachgeschaltet ist, und dem wiederum - An attenuator in the form of a Mach-Zehnder interferometer is connected downstream, and that in turn
- ein Detektor in Form eines optischen Einzelphotonendetektors nachgeschaltet ist. Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung bei der ein Rauschsignal zur Erzeugung von Zufallszahlen genutzt wird, kann bereitgestellt werden, wenn - A detector in the form of an optical single photon detector is connected downstream. 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 the detector, which detects a pulse when the electrical noise signal exceeds a predetermined threshold value,
- wobei die Stellgröße durch Verstärken oder abschwächen des Rauschsignals sowie durch Änderung des Schwellenwerts für das Rauschsignal vorgegeben wird. - The manipulated variable is specified by amplifying or weakening the noise signal and by changing the threshold value for the noise signal.
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass von der Steuereinheit eine Stellgröße derart gewählt ist, dass sich als Zufallsverteilung eine Gleichverteilung oder eine Gauß- Verteilung ergibt. It can particularly advantageously be provided that a manipulated variable is selected by the control unit in such a way that a uniform distribution or a Gaussian distribution results as a random distribution.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
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 not limiting, exemplary embodiments of the invention are shown schematically below with reference to the accompanying drawings and are described by way of example with reference to the drawings.
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.
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, it is also possible, for example, to use radioactive sources, sources for quantum fluctuations based on the tunnel effect, a quantum mechanical nondeterministic effect. Alternatively, it is also possible to use electrical noise sources.
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. 1 also shows an attenuator which is connected downstream of the source 1 and is designed to partially suppress or attenuate 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 transmit the laser light emitted by the source 1 to one of two outputs, so that the light emitted at one of the both Outputs of the attenuator 2 is present, has only a predetermined proportion of the total light from the light source. Alternatively, of course, if other sources are used, electrical attenuators or radioactive shielding materials can be used.
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 generated 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 can also be used which are designed to detect the pulses which are based on correspondingly different physical phenomena. These are, for example, detectors for radioactive decay or electrical or electronic detectors.
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 immediately after the source 1.
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 T0 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, the embodiment of the invention shown in FIG. 1 shows a time measuring device 5 which is designed to determine the time span between a predetermined starting time T 0 and time T P of the detection of a pulse by the detector 3. 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.
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 lϋ, l3, Aq, die jeweils von der Quelle 1 , vom Detektor 3 sowie vom Abschwächer 2 bewirkt sind, sich multiplikativ auf die Gesamtstellgröße l auswirken. Als erste Teilstellgröße kann die Wahrscheinlichkeit q 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 lL, wobei ein nichtlinearer Zusammenhang q = q (lL) besteht. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Wahrscheinlichkeit lh der Abgabe von Impulsen, zB in Form von Photonen oder Energie, durch die Quelle durch Vorgabe eines konkreten Laserstroms vorgegeben werden. Übersteigt der Laserstrom lL einen vorgegebenen Schwellenwert lth, 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 lLab. In order to now specify the random distribution of the determined time periods, for example to achieve a uniform 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. The control unit 4 regulates the probability of the detection of a pulse in this way and can vary this over time. The control unit 4 specifies each of the 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 l ϋ , l 3 , A q , which are each caused by the source 1, the detector 3 and the attenuator 2, have a multiplicative effect on the overall manipulated variable l. The probability q of the emission of pulses by the source 1 can be specified by the control unit 4 as the first sub-manipulated variable. When using a laser as source 1, this is typically done by specifying the laser current l L , with a non-linear relationship q = q (l L ). As shown in FIG. 4, the probability l h 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 L exceeds a predetermined threshold value I th , 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 I L.
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. l3 = l3 (UA) 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 U A can be specified with which a medium with a variable optical length located in a beam path of the Mach-Zehnder interferometer acting as attenuator 2 can be set accordingly. l 3 = l 3 (U A )
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 UD an der Lawinendiode desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Photon einen Durchbruch der gesamten Diode bewirkt. Die Spannung UD kann innerhalb eines vorgegebenen, insbesondere wenig Volt breiten, Bereichs [UD,min ... UD,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), ie the probability that energy incident 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 100 V, for example, which is above the breakdown voltage, is applied to the avalanche diode. However, a spontaneous breakdown does not occur until several milliseconds after the voltage has been applied; however, in the case of irradiation, a premature breakdown can be measured. The avalanche diode is operated in Geiger mode, whereby a single photon can trigger the breakdown of the avalanche diode. The higher the voltage U D at the avalanche diode, the more likely it is that a photon will cause the entire diode to break down. The voltage U D can be specified within a specified range [U D, min ... U D, max ], in particular a range of a few volts. A SAPD, ie a single photon avalanche photo diode, can preferably be used as the detection.
Somit kann die Detektoreffizienz QE, dh die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich aufgrund eines Photonen-Impulses ein Durchbruch ereignet, durch Vorgabe einer Detektorspannung UD variiert werden, sodass die vom Detektor ausgehende Stellgröße von der Detektorspannung abhängt. The detector efficiency QE, ie the probability that a breakthrough will occur due to a photon pulse, can thus be set by specifying a Detector voltage U D can be varied so that the manipulated variable emanating from the detector depends on the detector voltage.
Insgesamt kann die Steuereinheit 4 durch Vorgabe von Laserstrom lL sowie der beiden Spannungen UA, UD 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 l^, l3, lf nämlich Laserstromabschwächwirkung und Detektoreffizienz QE, regelt, alternativ kann die Steuereinheit 4 auch alle drei dieser Stellgrößen l^, l3, 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 I L and the two voltages U A , U D , the control unit 4 can specify the probability value that the pulse is present at the output of the detector 3 within a time segment. It is basically possible that the control unit 4 only regulates one manipulated variable from the set of manipulated variables l ^, l 3 , l f namely laser current weakening effect and detector efficiency QE, alternatively the control unit 4 can also control all three of these manipulated variables l ^, l 3 , regulate and thus the probability that a pulse is applied to the detector within a predetermined time span can be varied. The more different manipulated variables are used, the greater the range of adjustable probabilities that a pulse will be applied to the detector 3 within a predetermined period of time.
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 now specify a random distribution of the determined time periods, for example to achieve a uniform distribution of the time periods up to the occurrence of the first pulse at the output of the detector within a given time window, one of the following calculation rules can be used.
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 goal is to produce a uniform distribution of the probability of the occurrence of a pulse at the output of the detector 3, the probability that a pulse at the output of the detector 3 within the first nanosecond after the beginning or The start time is 5%. Likewise, the aim is to ensure that the probability of a pulse at the detector output within every further nanosecond from the start time to the twentieth nanosecond is in each case 5%.
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 l(ΐ) aufweisen. Um den vorgegebenen Funktionsverlauf zu erreichen, wird im ersten Zeitabschnitt Ti, d.h. innerhalb der ersten Nanosekunde, ein Wert gewählt, der durch l^Dί = Wi festgelegt ist. Die Stellgröße für die ersten Nanosekunde ergibt sich dabei gemäß Wi/At. Um nun zu erreichen, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Impulses am Ausgang des Detektors in der zweiten Nanosekunde wiederum w2 = 5% entspricht, wird eine Stellgröße li wie folgt gewählt: If one wants to achieve such a uniform distribution, the manipulated variable, which results as the product of the probability of the release of energy, the efficiency of the detector 3 and the attenuating effect of the attenuator, will have the function curve l (ΐ) shown in FIG. 2. In order to achieve the predetermined function curve, a value is selected in the first time segment Ti, ie within the first nanosecond, which is defined by l ^ Dί = Wi. The manipulated variable for the first nanosecond results according to Wi / At. In order to achieve that the probability of the occurrence of a pulse at the detector output in the second nanosecond again corresponds to w 2 = 5%, a manipulated variable li is selected as follows:
(1 -li*Dί)* l2 *Dί = w2 (1 -li * Dί) * l 2 * Dί = w 2
Dies bedeutet also, dass bei der Berechnung der Stellgröße l2 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 l2 = W2/At/(1-VAt). This means that when calculating the manipulated variable l 2 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 segment results from conversion to l 2 = W 2 / At / (1-VAt).
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 taken into account for the third time interval, the following relationship results when determining the manipulated variable during the third time interval:
( 1 -li *At)*( 1 -l2 *Dί)*l3 *Dί = w3 (1 -li * At) * (1 -l 2 * Dί) * l 3 * Dί = w 3
Durch Umformung erhält man dementsprechend l3 = w3/At/ ( 1 -li *At)/ ( 1 -l2 *Dί) . Correspondingly, through transformation one obtains l 3 = w 3 / At / (1 -li * At) / (1 -l 2 * Dί).
Für den Fall, dass eine Gleichverteilung gewünscht ist, d.h. Wi = w2 = w3 = ... = wc, kann die Stellgröße während des dritten Zeitintervalls entsprechend zu l3 = wc/At/(1 -3 *At) vereinfacht werden. In the event that a uniform distribution is desired, i.e. Wi = w 2 = w 3 = ... = w c , the manipulated variable during the third time interval can correspond to l 3 = w c / At / (1 -3 * At) be simplified.
Für den allgemeinen Fall kann für die weiteren Zeitintervalle Stellgröße lp wie folgt ermittelt werden: In the general case, manipulated variable l p can be determined for the further time intervals as follows:
[n i=i ... n_i (1-lί *DI)]*lp *Dί = wn [n i = i ... n _i (1-l ί * DI)] * l p * Dί = w n
Dementsprechend ergibt sich lp = wn/ At / [Ili=1... P-Ί (1 -lί *Dΐ)]. Accordingly it results l p = w n / At / [Il i = 1 ... P-Ί (1 -l ί * Dΐ)].
Sofern eine Gleichverteilung der Wahrscheinlichkeit gewünscht ist, ergibt sich für die Stellgröße lp der folgende Wert: lp = w/At/[1-n^0 *At] If a uniform distribution of the probability is desired, the following value results for the manipulated variable l p : lp = w / At / [1-n ^ 0 * At]
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 h*l0 *Dί genau den Wert 1 ergibt, eine Stellgröße lp, 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 predefined time period, in the present case after 20 nanoseconds, a very large manipulated variable is predefined during the last time interval. According to the given formula, if h * l 0 * Dί results in exactly the value 1, a manipulated variable l p that has a very large or infinite effect is obtained. In this case, the largest possible manipulated variable that can be output by the system should be used.
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 stated above, the present embodiment of the invention is in no way restricted to the specification of a uniform distribution. Rather, of course, there is also the possibility of specifying deviating distributions, for example a Gaussian distribution.
Dabei werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die Wahrscheinlichkeitswerte, d.h. die Wahrscheinlichkeiten dafür, dass ein Impuls erstmals in der im letzten Zeitabschnitt T o auftritt, durch Vorgabe abweichender Wahrscheinlichkeitswerte w1 ; ..., wn vorgegeben. Entsprechend der vorstehend dargestellten Formeln können auch die einzelnen Stellgrößen vorgegeben werden. As shown in FIG. 3, the probability values, ie the probabilities that a pulse occurs for the first time in the last time segment T o, are determined by specifying deviating probability values w 1; ..., w n given. The individual manipulated variables can also be specified in accordance with the formulas presented above.
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. In order to make available a large number of random numbers generated in the same way continuously, ie within a certain period of time, different procedures can be used in order to repeat the method described above.
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. 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. In a particularly preferred embodiment of the invention, the specifications presented above are carried out at constant time intervals, ie each random number formation takes the same length of time. The control unit 4 in each case emits a reset pulse to the time measuring unit 5 and, if necessary, also to the detector 3 and sets the control values in accordance with the predetermined, previously numerically determined time curve. 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 up to or time span for the occurrence of a pulse; in the exemplary 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 how many random numbers occur in one second - in the present exemplary embodiment 50 million random numbers.
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. Alternatively, there is also the option of starting the reset immediately after the occurrence of a pulse, ie not waiting for the maximum duration or time span. In this case, the random numbers do not appear regularly; however, the occurrence of random numbers can in principle be determined on the basis of the given distribution. Basically, in order to have enough time to save 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 on the detector and the resetting of the time measuring device 5 can be specified become.
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 derIf the manipulated variables are kept constant over time, the result is a probability distribution of the times in the form of an exponential distribution. If such an exponential distribution is desired or post-processing of the
Wahrscheinlichkeitswerte vorgenommen wird, kann eine zeitliche Veränderung der Stellgrößen unterbleiben. If probability values are made, the manipulated variables cannot be changed over time.

Claims

Patentansprüche Claims
1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Zeitmessung als Zufallszahl herangezogen wird. 1. A method for generating random numbers, wherein 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 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, c) optionally emitted by the source (1) energy from an energy between the source (1) and the detector (3) located attenuator (2) is suppressed or weakened, d) the time span between a predetermined starting time (t 0 ) and the time of the detection of a pulse by the detector (3) is determined, characterized in that the result of the time measurement is used as a random number.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, e) dass der zeitliche Verlauf zumindest einer der folgenden Stellgrößen während der Zeitspanne veränderlich festgelegt wird: 2. The method according to claim 1, characterized in that e) that the time course of at least one of the following manipulated variables is set to be variable during the time period:
- die Verteilung der abgegebenen Energie durch die Quelle (1), und/oder - The distribution of the energy emitted by the source (1), and / or
- die Effizienz des Detektors (3), und/oder - the efficiency of the detector (3), and / or
- die durch den Abschwächer (2) bewirkte Abschwächung, und f) dass der zeitliche Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt (t0) derart vorgegeben wird, - the attenuation caused by the attenuator (2), and f) that the temporal course of the manipulated variable starting from the start time (t 0 ) is specified in such a way,
- dass die Zufallsverteilung (w) der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsverteilung entspricht, und/oder - That the random distribution (w) of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution, and / or
- dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs (Tmax) jedenfalls ein Impuls detektiert wird. - That a pulse is detected within a predetermined time range (T max ) in any case.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 (t0) wiederholt werden, 3. The method according to claim 1 or 2, 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 starting with a further starting time (t 0),
- wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne (Tmax) entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne- wherein the time interval corresponds in particular to the maximum time span (T max ) within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span
(T max)· (T max)
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 (t0) wiederholt werden. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the time measurement is reset immediately after the occurrence of a pulse or at a predetermined time interval to the occurrence of the pulse and steps a) to d), in particular a) to f), beginning be repeated with a further start time (t 0 ).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) eine Stellgröße derart liefert, dass sich als Zufallsverteilung eine Gleichverteilung ergibt. 5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the control unit (4) supplies a manipulated variable such that a uniform distribution results as a random distribution.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) eine Stellgröße derart liefert, dass sich als Zufallsverteilung eine Gauß- Verteilung ergibt. 6. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the control unit (4) supplies a manipulated variable such that a Gaussian distribution results as a random distribution.
7. Vorrichtung zur Erzeugung von Zufallszahlen, umfassend 7. Apparatus for generating random numbers, comprising
- eine Quelle (1), die zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten mit einer vorgegebenen Verteilung Energie, insbesondere in Form von Impulsen, abgibt, - a source (1) which emits energy, in particular in the form of pulses, at unpredictable times with a predetermined distribution,
- einen Detektor (3), der der Quelle nachgeschaltet ist und dazu ausgebildet ist, die Energie in Form von Impulsen zu detektieren, - a detector (3) which is connected downstream of the source and is designed to detect the energy in the form of pulses,
- gegebenenfalls einen zwischen der Quelle (1) und dem Detektor (3) befindlichen Abschwächer (2) zur Unterdrückung der von der Quelle (1) abgegebenen Energie oder Impulse, und - 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
- eine Zeitmesseinrichtung (5) zur Ermittlung der Zeitspanne zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt (t0) und dem Zeitpunkt der Detektion eines Impulses durch den Detektor (3). - A time measuring device (5) for determining the time span between a predetermined starting time (t 0 ) and the time when a pulse is detected by the detector (3).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch 8. Apparatus according to claim 7, characterized by
- eine Steuereinheit (4), die dazu ausgebildet ist, die Verteilung der abgegebenen Energie durch die Quelle (1) als Stellgröße zu steuern, und/oder die Effizienz des Detektors (3) als Stellgröße vorzugeben, und/oder gegebenenfalls die durch den Abschwächer (2) bewirkte Abschwächung als Stellgröße vorzugeben, - A control unit (4) which is designed to control the distribution of the energy emitted by the source (1) as a manipulated variable, and / or to specify the efficiency of the detector (3) as a manipulated variable, and / or, if applicable, that of the attenuator (2) to specify the weakening effect as a manipulated variable,
- die Steuereinheit (4), 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 - the control unit (4), which changes the temporal course of the manipulated variable starting from the start time in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution, and / or that in any case a pulse is detected within a predetermined time range, and
- das Ergebnis, das der Zeitmessung als Zufallszahl zur Verfügung steht. - the result that is available to the time measurement as a random number.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, 9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that a control unit (4) is provided which is designed to
- die Zeitmesseinrichtung (5) nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls (Tmax) zurückzusetzen und einen neuerlichen Startzeitpunkt für eine weitere Bestimmung einer Zufallszahl festzusetzen, - to reset the time measuring device (5) after a predetermined time interval (T max ) has elapsed and to set a new starting time for a further determination of a random number,
- wobei das Zeitintervall insbesondere der maximalen Zeitspanne entspricht, innerhalb der jedenfalls ein Impuls vorliegt, oder größer ist als diese maximale Zeitspanne, und - wherein the time interval corresponds in particular to the maximum time span within which a pulse is present in any case, or is greater than this maximum time span, and
- die Steuereinheit (4) mit dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung (5) neuerlich zur Vorgabe eines zeitlichen Verlaufs der Stellgröße zu veranlassen. - by resetting the timing device (5) to cause the control unit (4) again to specify a time profile of the manipulated variable.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, 10. The device according to claim 7 or 8, characterized in that a control unit (4) is provided which is designed to
- die Zeitmesseinrichtung (5) unmittelbar nach dem Auftreten eines Impulses oder in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zum Auftreten des Impulses einen neuerlichen Startzeitpunkt (t0) für eine weitere Bestimmung einer Zufallszahl festzusetzen, und - the time measuring device (5) to set a new starting time (t 0 ) 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
- die Steuereinheit (4) mit dem Rücksetzen der Zeitmesseinrichtung (5) neuerlich den zeitlichen Verlauf der Stellgröße beginnend vom Startzeitpunkt (t0) derart steuert, dass die Zufallsverteilung der ermittelten Zeitspannen einer vorgegebenen Zufallsverteilung entspricht, und/oder dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereichs jedenfalls ein Impuls detektiert wird. - With the resetting of the time measuring device (5), the control unit (4) again controls the temporal course of the manipulated variable starting from the start time (t 0 ) in such a way that the random distribution of the determined time spans corresponds to a predetermined random distribution, and / or that within a predetermined time range in any case a pulse is detected.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass 11. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that
- die Quelle (1) durch einen Laser ausgebildet ist, dem - The source (1) is formed by a laser, the
- ein Abschwächer (2) in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers nachgeschaltet ist, und dem wiederum - An attenuator (2) in the form of a Mach-Zehnder interferometer is connected downstream, and that in turn
- ein Detektor (3) in Form eines optischen Einzelphotonendetektors nachgeschaltet ist. - A detector (3) in the form of an optical single photon detector is connected downstream.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass12. Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that
- die Quelle (1) ein elektrisches Rauschsignal erstellt, und - als Detektor (3) ein elektronischer Detektor vorgesehen ist, der einen Impuls dann detektiert, wenn das elektrische Rauschsignal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, - The source (1) creates an electrical noise signal, and - An electronic detector is provided as the detector (3) which detects a pulse when the electrical noise signal exceeds a predetermined threshold value,
- wobei die Stellgröße durch Verstärken oder abschwächen des Rauschsignals sowie durch Änderung des Schwellenwerts für das Rauschsignal vorgegeben wird. - The manipulated variable is specified by amplifying or weakening the noise signal and by changing the threshold value for the noise signal.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit (4) eine Stellgröße derart gewählt ist, dass sich als Zufallsverteilung eine Gleichverteilung ergibt. 13. Device according to one of the preceding claims 7 to 12, characterized in that a manipulated variable is selected by the control unit (4) such that a uniform distribution results as a random distribution.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit (4) eine Stellgröße derart gewählt ist, dass sich als Zufallsverteilung eine Gauß-Verteilung ergibt. 14. Device according to one of the preceding claims 7 to 12, characterized in that a manipulated variable is selected by the control unit (4) such that a Gaussian distribution results as the random distribution.
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