IT202100009356A1 - Generatore di numeri casuali (rng), in particolare generatore di numeri realmente casuali (trng) di tipo perfezionato - Google Patents

Description

GENERATORE DI NUMERI CASUALI (RNG), IN PARTICOLARE GENERATORE DI NUMERI REALMENTE CASUALI (TRNG) DI TIPO PERFEZIONATO.

DESCRIZIONE

Il progetto che ha portato alla presente domanda di brevetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea nell'ambito della convenzione di sovvenzione n. 820405.

La presente invenzione concerne un generatore di numeri casuali (Random Number Generator, RNG), in particolare un generatore di numeri realmente casuali (True Random Number Generator, TRNG) di tipo perfezionato.

E? noto che, attualmente, i generatori di numeri casuali trovano impiego in molteplici applicazioni che spaziano dall?ambito scientifico a quello crittografico.

Nel primo caso ? tipico l?esempio della scienza computazionale in cui ? richiesta la generazione di un certo numero di stati iniziali casuali che servono come descrizione dello stato iniziale della simulazione. Questo tipo di applicazioni generalmente richiede che le configurazioni iniziali non siano tra loro strettamente correlate ma che possano essere riprodotte in maniera deterministica per poter verificare, ad esempio, l?effetto di variazioni sui codici che eseguono le simulazioni stesse. Per questo motivo, tali sequenze sono pi? correttamente definite come numeri pseudo-casuali (Pseudo Random Number, PRN), perch? definite attraverso algoritmi complessi che partono da un valore iniziale. In altre parole, dato un numero iniziale casuale, detto in gergo ?seme?, una formula per quanto complessa riprodurr? sempre la stessa sequenza di numeri casuali. I relativi generatori sono definiti generatori di numeri pseudo-casuali (Pseudo Random Number Generator, PRNG).

Al contrario, nel secondo caso, cio? nell?utilizzo dei numeri casuali in tecniche di crittografia per l?esecuzione, per esempio, di operazioni bancarie, tale approccio si dimostra debole in quanto ? necessario assicurare una perfetta impredicibilit? delle sequenze generate in modo da mantenere in sicurezza informazioni altamente sensibili. In questo caso l?approccio pi? sicuro passa attraverso la generazione di numeri casuali ottenuti da un processo di generazione che sia realmente casuale e non permetta di predire in alcun modo la sequenza generata. Tali generatori sono noti appunto come generatori di numeri realmente casuali (TRNG) e si basano su fenomeni fisici e in particolare quantistici, data l?intrinseca imprevedibilit? di questi eventi. In particolare, i meccanismi quantistici, come per esempio la generazione di fotoni da parte di una sorgente luminosa, sono tra i metodi pi? investigati per ottenere tali sequenze di numeri realmente casuali e si basano su una indeterminazione dell?evento misurato che ? insita nelle propriet? del sistema quantistico stesso.

Dal punto di vista della teoria dell?informazione, il livello di impredicibilit? dei numeri casuali generati tramite entrambe le suddette due tecniche, ? esprimibile mediante il parametro definito come ?entropia?, noto appunto come la quantit? di incertezza o informazione presente in una variabile aleatoria.

Come gi? accennato, l'uso di PRNG a scopi crittografici risulta rischioso, non solo perch? determinati algoritmi hanno debolezze che si rivelano potenzialmente solo tempo dopo la loro introduzione, ma anche perch? se un soggetto malintenzionato dovesse recuperare il seme da cui vengono generate tutte le sequenze casuali, potrebbe prevedere con certezza assoluta tutti i seguenti output basati sullo stesso seme.

E' altamente preferibile dunque una soluzione basata su fenomeni fisici e in particolare quantistici data la suddetta imprevedibilit? intrinseca di questi eventi, anche nei confronti di soggetti con perfetta conoscenza degli algoritmi utilizzati e con a disposizione un?elevata capacit? di calcolo. Tuttavia, mentre gli algoritmi di generazione di numeri pseudo-casuali possono essere scelti per creare sequenze che abbiano alcune propriet? statistiche ben determinate con certezza assoluta, data appunto la loro natura deterministica, i numeri casuali ottenuti a partire da fenomeni fisici devono sottostare a limitazioni pratiche, dovute ad esempio a variazioni nella qualit? della realizzazione della strumentazione, a fluttuazioni nell'alimentazione, a fattori ambientali quali campi esterni e sbalzi di temperatura. In generale, queste deviazioni dal caso ideale determinano un allontanamento da una distribuzione statistica uniforme e indipendente degli eventi misurabili in uno spazio campionario. Di conseguenza, si pu? riscontrare un abbassamento del livello entropico anche di tali generatori di numeri realmente casuali.

Per evitare ci?, tali generatori di numeri realmente casuali necessitano di una ulteriore fase, detta di ?post-processing?, operata a valle dell?estrazione della sequenza di codici casuali a partire dallo specifico fenomeno fisico. Questa fase di post-processing, infatti, consente di migliorare l?uniformit? della distribuzione di probabilit? della sequenza di codici casuali. Tuttavia, svantaggiosamente, tale fase di post-processing ha un impatto sul cos? detto ?bit rate? che il generatore ? in grado di assicurare.

E? altrettanto noto, come gi? anticipato in precedenza, che uno dei fenomeni fisici che viene sfruttato maggiormente per la generazione di numeri realmente casuali ? la fotonica quantistica. Per tale motivo, tali generatori, appartenenti alla macro-categoria dei generatori TRNG, vengono anche indicati pi? specificatamente con l?acronimo QRNG (Quantum Random Number Generetor). In tali generatori, infatti, una sorgente di luce attenuata genera pochi fotoni (basso valore del flusso di fotoni rivelati ?) che sono acquisiti da uno o pi? rivelatori di singoli fotoni, implementati nella maggior parte dei casi con un componente integrato noto con l?acronimo SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Inoltre, il sistema prevede un?apposita elettronica posta a valle dei suddetti SPAD, composta da circuiti ausiliari e, solitamente, da uno o pi? TDC (Time to Digital Converter) oppure da contatori, in grado di estrarre da ciascuno di tali SPAD una sequenza casuale di bits misurando il tempo di arrivo dei fotoni acquisiti o conteggiandone il numero.

Dal punto di vista implementativo in tali generatori la sorgente di luce e il o i rivelatori sono dispositivi separati che richiedono di essere opportunamente accoppiati e schermati. Tuttavia, tale implementazione, svantaggiosamente, non ? immune evidentemente all?influenza di effetti ambientali esterni incontrollati. Inoltre, il fatto che sorgente di luce e rivelatore/i siano dispositivi separati tra loro e successivamente accoppiati rende l?intero generatore di numeri casuali alquanto vulnerabile da eventuali effrazioni e manomissioni. Inoltre, ancora svantaggiosamente la suddetta implementazione determina un costo del dispositivo elevato per la necessit? di allineare otticamente i due dispositivi e realizzare un packaging custom per contenerli.

Sono stati altres? proposti alcuni generatori di numeri casuali di tipo QRNG, laddove sia la sorgente di luce sia i rivelatori SPAD sono realizzati integrati in un singolo substrato semiconduttore, preferibilmente in silicio. Tuttavia, anche in questo caso, svantaggiosamente, tali generatori non sono in grado di discriminare gli eventi generati nel rivelatore SPAD, che sono direttamente correlati con i fotoni generati da una sorgente di luce, dagli eventi generati nello stesso rivelatore SPAD, ma legati ad eventi rumorosi considerati spuri.

Uno degli eventi spuri che maggiormente determina la generazione di eventi a valanga sui rivelatori SPAD non direttamente correlati alla sorgente di luce ? il cos? detto in gergo tecnico ?Dark Count Rate? o DCR.

Con il termine ?Dark Count Rate? si intende la probabilit? nell?unit? di tempo che avvenga la generazione dell?effetto a valanga su un rivelatore SPAD a causa della generazione termica di portatori nel semiconduttore in corrispondenza dell?area sensibile, in assenza di impatto di un fotone su tale area, da cui il termine Dark Count (DC), o evento di buio. Pertanto, come indicato in precedenza, con gli attuali generatori QRNG non si ? in grado di distinguere gli eventi a valanga sul rilevatore SPAD innescati da tali eventi spuri da quelli invece innescati dall?impatto di un fotone direttamente generato dalla sorgente di luce.

Un altro fenomeno che, in maniera minore, potrebbe determinare la non correlazione tra un effetto a valanga innescato in un rilevatore SPAD e il flusso di fotoni generato dalla sorgente di luce ? l??Afterpulsing?, ovvero un ulteriore evento spurio che pu? virtualmente introdurre effetti di correlazione tra eventi rilevati, in quanto esso consiste nella generazione di una valanga sul rilevatore SPAD dovuta al rilascio di portatori durante un effetto a valanga avvenuto in precedenza.

E? altrettanto noto che il flusso di fotoni generato da tali generatori obbedisce ad un processo Poissoniano, nel senso che gli eventi acquisiti sono indipendenti tra loro e che la probabilit? di contare n fotoni all?interno di una finestra di osservazione Tw segue idealmente la distribuzione di Poisson:

dove ? indica, appunto, il flusso di fotoni rivelati.

Il flusso di fotoni rivelati ?, le caratteristiche dei rivelatori SPAD e la modalit? di estrazione dei bits determina le prestazioni finali del generatore.

Detto ci?, sul mercato sono disponibili differenti tipologie di generatori di numeri casuali basati sul concetto QRNG. Tali generatori in particolare coprono una vasta gamma di applicazioni, che vanno dai dispositivi portatili USB che forniscono poche centinaia di kbit/s fino a grandi sistemi elettronici capaci di garantire un bit rate di centinaia di Mbit/s. In letteratura, inoltre, sono state proposte differenti logiche e architetture configurate per la determinazione delle sequenze di numeri realmente casuali a partire da un fenomeno fisico, in particolare dalla rilevazione dei fotoni. La maggior parte di essi rileva il ?tempo di arrivo? oppure il numero di fotoni che incidono la superficie sensibile del o dei rivelatori SPAD.

In particolare, per quanto riguarda la tecnica che si basa sul cos? detto tempo di arrivo, ? stato proposto di misurare il tempo che intercorre tra l?incidenza di un fotone e quello successivo su un singolo SPAD. Tuttavia, tale tecnica, sebbene consenta di ottenere un elevato bit rate, presenta una considerevole distorsione (bias) dovuta al fatto che, come gi? detto, la sorgente di fotoni obbedisce al suddetto processo Poissoniano.

Per superare tale inconveniente, l?arte nota propone di intervenire direttamente sulla sorgente di fotoni, controllando in modo appropriato il flusso di fotoni da essa generato. Tale intervento, in particolare, prevede di variare la corrente di pilotaggio della sorgente di fotoni in modo da rendere il pi? possibile uniforme la sua distribuzione statistica nel tempo.

Tuttavia, svantaggiosamente, tale approccio necessita l?introduzione nel generatore di numeri casuali di un?apposita elettronica in grado di eseguire il suddetto pilotaggio della sorgente di fotoni, determinando quindi un aumento della complessit? e delle dimensioni dello stesso generatore.

La presente invenzione intende superare gli inconvenienti detti.

In particolare, l?invenzione si pone lo scopo di realizzare un generatore di numeri realmente casuali che consenta di garantire un elevato livello di entropia in modo, almeno, da superare i test statistici stabiliti dal NIST (National Institute of Standards and Technology). In particolare, ? scopo dell?invenzione realizzare un metodo per distinguere e filtrare eventi spuri da eventi luce, in modo tale da garantire con elevata probabilit? che i soli eventi rilevati siano di origine quantistica e non termica.

In altri termini, ? scopo dell?invenzione circoscrivere il pi? possibile la generazione dei numeri casuali esclusivamente in conseguenza a quegli effetti a valanga innescati nei rilevatori strettamente correlati al flusso di fotoni generato dalla sorgente di fotoni.

Un ulteriore scopo dell?invenzione ? di realizzare un generatore di numeri realmente casuali che consenta di ottenere un elevato bit rate nella generazione di sequenza casuali di bits.

Altro scopo dell?invenzione ? la realizzazione di un generatore di numeri realmente casuali che presenti una struttura pi? compatta, pi? robusta, meno complessa rispetto ai generatori di numeri casuali dell?arte nota.

Ancora, scopo dell?invenzione ? la realizzazione di un generatore di numeri realmente casuali con un elevato grado di sicurezza contro eventuali effrazioni e manomissioni dei suoi componenti interni.

Non ultimo scopo dell?invenzione ? la realizzazione di un generatore di numeri realmente casuali pi? economico rispetto ai generatori dell?arte nota.

Gli scopi detti sono raggiunti dal generatore di numeri realmente casuali avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale. I suddetti scopi, assieme ai vantaggi che verranno menzionati in seguito, saranno evidenziati durante la descrizione di una preferita forma esecutiva dell'invenzione che viene data, a titolo indicativo ma non limitativo, con riferimento alle tavole di disegno allegate, dove: - in fig. 1 ? rappresentata schematicamente l?architettura circuitale di una prima forma esecutiva esemplificativa del generatore di numeri casuali dell?invenzione;

- in fig. 2 ? rappresentata la sezione trasversale del substrato semiconduttore relativo alla forma esecutiva esemplificativa di fig. 1 realizzato mediante tecnica di micro fabbricazione CMOS;

- in fig. 3 ? rappresentata schematicamente una vista dall?alto dell?architettura circuitale di una forma esecutiva alternativa del generatore di numeri casuali dell?invenzione;

- in fig. 4 si osservano le forme d?onda dei segnali di uscita del primo SPAD e del secondo SPAD appartenenti al generatore di numeri casuali dell?invenzione in tre differenti situazioni;

- in fig. 5 ? rappresentata schematicamente l?architettura circuitale del primo SPAD associato ad un circuito di quenching dell?invenzione; - in fig. 6 si osservano le forme d?onda dei segnali coinvolti nel funzionamento dell?architettura di fig. 5;

- in fig. 7 si osserva il grafico relativo al rapporto tra l?ampiezza della corrente del primo SPAD e l?attivit? di emissione di fotoni da parte dello stesso primo SPAD;

- in fig. 8 ? rappresentato uno schema temporale dell?applicazione della tecnica di estrazione di numeri casuali dell?invenzione;

- in fig. 9 ? rappresentata la sezione trasversale del substrato semiconduttore, realizzato mediante tecnica di micro fabbricazione CMOS, relativo ad una forma esecutiva alternativa del generatore di numeri casuali dell?invenzione.

- in fig. 10 ? rappresentato uno schema temporale dell?applicazione della tecnica di filtraggio degli eventi dovuti ad un fenomeno di Afterpulsing.

Il generatore di numeri casuali dell?invenzione, ? rappresentato schematicamente in una prima forma esecutiva preferita in fig. 1, ove ? indicato complessivamente con 1.

Tale generatore di numeri casuali 1, secondo tale prima forma esecutiva, comprende, integrati in un singolo substrato di silicio 5, una sorgente di fotoni 2, configurata per generare un flusso di fotoni, e un rilevatore di fotoni 3, configurato per rilevare almeno un fotone del flusso di fotoni generato dalla sorgente di fotoni 2.

Come si pu? osservare in fig. 2, la sorgente di fotoni 2 e il rilevatore di fotoni 3 sono realizzati, in tale singolo substrato di silicio 5, in posizione adiacente tra loro.

Non ? escluso, tuttavia, che secondo forme alternative dell?invenzione, il generatore 1 possa comprendere, integrati in tale singolo substrato di silicio 5, pi? sorgenti di fotoni 2 e/o pi? rilevatori di fotoni 3.

In particolare, potrebbe essere preferibile e auspicabile, in reali implementazioni pi? performanti del generatore di numeri casuali 1 dell?invenzione, realizzare nell?intorno di una sorgente di fotoni 2, pi? rilevatori di fotoni 3, come rappresentato schematicamente in fig. 3. Secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, in tale singolo substrato di silicio 5 sono integrati anche mezzi elettronici di controllo 4, operativamente connessi con tale sorgente di fotoni 2 e con tale rilevatore di fotoni 3. Non ? escluso, tuttavia, che in forme esecutive alternative dell?invenzione, tali mezzi elettronici di controllo 4 possano essere realizzati esternamente a tale substrato di silicio 5, purch? essi risultino operativamente connessi con entrambi tale sorgente di fotoni 2 e tale rilevatore di fotoni 3.

Secondo l?invenzione, la sorgente di fotoni 2 comprende un primo SPAD 21, configurato per emettere un flusso di fotoni, conseguentemente all?innesco di un effetto a valanga nel suddetto primo SPAD 21. Allo stesso modo, secondo l?invenzione, il rilevatore di fotoni 3 comprende un secondo SPAD 31 configurato per rilevare almeno un fotone del flusso di fotoni generato dal primo SPAD 21. In particolare, tali primo e secondo SPAD 21 e 31 sono realizzati sostanzialmente con la medesima struttura chimico-fisica, affiancati tra loro, come rappresentato in fig. 2.

Sempre secondo l?invenzione, i mezzi elettronici di controllo 4 sono configurati per polarizzare in modalit? Geiger il primo SPAD 21 e il secondo SPAD 31, rispettivamente con una prima tensione di polarizzazione VSPAD1 e una seconda tensione di polarizzazione VSPAD2. In altri termini, entrambe la prima tensione di polarizzazione VSPAD1 e la seconda tensione di polarizzazione VSPAD2, imposte ai capi rispettivamente del primo SPAD 21 e del secondo SPAD 31, sono tali da polarizzare inversamente questi ultimi oltre la loro tensione di breakdown VBD1 e VBD2.

Tali prima tensione di polarizzazione VSPAD1 e una seconda tensione di polarizzazione VSPAD2 possono assumere il medesimo valore o possono avere valori tra loro differenti.

A questo punto, prima di continuare con la descrizione del generatore di numeri casuali 1 secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, va evidenziato che, nel momento in cui entrambi il primo SPAD 21 e il secondo SPAD 31 sono polarizzati nella suddetta modalit? Geiger, viene aperta una finestra di osservazione Tw, durante la quale essi sono in una condizione instabile, per cui un eventuale fenomeno esterno ? in grado di innescare su di essi un effetto a valanga, ove tale fenomeno esterno pu? essere un fotone incidente la superficie sensibile degli SPAD 21 e 31, oppure un fenomeno rumoroso di Dark Count o altres? di Afterpulsing.

Nel presente contesto, per quanto riguarda il primo SPAD 21, adibito a svolgere la funzione di sorgente di fotoni 2, come si capir? a breve, non ha importanza conoscere quale fenomeno, tra quelli sopra citati, abbia innescato l?effetto a valanga su di esso. L?aspetto determinate in questo caso ? che il flusso di corrente che si genera e fluisce attraverso la giunzione P-N del suddetto primo SPAD 21, dovuto all?innesco di tale effetto a valanga, generi a sua volta un flusso di fotoni che si diffonda in maniera isotropa nell?intorno di tale primo SPAD 21.

Per quanto riguarda il secondo SPAD 31, adibito a svolgere la funzione di rilevatore di fotoni 3, come visto in precedenza, un eventuale innesco di un effetto a valanga su di esso durante tale finestra di osservazione Tw, pu? essere determinato sia dall?incidenza di uno dei fotoni generati dal primo SPAD 21, dovuto all?accoppiamento ottico tra il primo SPAD 21 e il secondo SPAD 31, sia da un fenomeno rumoroso di Dark Count o Afterpulsing.

E? noto, infatti, che, a causa del forte campo elettrico ai capi della giunzione, le cariche generate e accelerate nella stessa giunzione, determinano la generazione isotropa di fotoni, alcuni dei quali, attraversando il silicio, possono arrivare allo SPAD affiancato.

Poich?, come descritto durante la presentazione dell?arte nota, nel contesto della generazione di numeri realmente casuali ? fondamentale mantenere elevato il livello di entropia e siccome un eventuale innesco di un effetto a valanga sul secondo SPAD 31 dovuto ad uno dei suddetti fenomeni rumorosi e non dall?incidenza di un fotone sulla propria superficie sensibile, diminuirebbe tale livello di entropia, ? di primaria importanza riuscire a discriminare gli uni dagli altri.

A tale scopo, secondo l?invenzione, i mezzi elettronici di controllo 4 risultano operativamente connessi all?uscita del primo SPAD 21 e all?uscita del secondo SPAD 31, in modo da rilevare i segnali di uscita generati da quest?ultimi, e gli stessi mezzi elettronici di controllo 4 sono configurati per considerare come utilizzabili per la generazione di un numero casuale, all?interno della suddetta finestra di osservazione Tw, esclusivamente quei segnali di uscita dal secondo SPAD 31 dovuti all?innesco di un effetto a valanga che si presenta all?interno di una finestra temporale di correlazione Tc, di durata prestabilita, a partire dall?istante in cui gli stessi mezzi elettronici di controllo 4 rilevano un effetto a valanga nel primo SPAD 21.

In altri termini, facendo riferimento alle forme d?onda presentate nel grafico di fig. 4, nel caso in cui in una finestra di osservazione Tw, che ha inizio quando entrambi gli SPAD 21 e 31 vengono abilitati dopo un periodo di tempo morto (?Dead Time?), si verificasse un effetto a valanga sul secondo SPAD 31 prima del verificarsi di un effetto a valanga nel primo SPAD 21, come rappresentato in fig. 4a, tale effetto a valanga nel secondo SPAD 31 viene considerato non utilizzabile in quanto incorrelato con la generazione di un flusso di fotoni da parte del primo SPAD 21. Quindi, tale rilevazione viene esclusa per la generazione di numeri casuali.

Allo stesso modo, come rappresentato in fig. 4b, un eventuale effetto a valanga in corrispondenza del secondo SPAD 31 rilevato dopo l?innesco dell?effetto a valanga nel primo SPAD 21, ma oltre la durata prestabilita della suddetta finestra temporale di correlazione Tc, viene altres? considerato incorrelato con il flusso di fotoni generato dal primo SPAD 21 e quindi, anche in questo caso, tale evento viene escluso per la generazione di un numero casuale.

Diversamente, nel caso in cui l?effetto a valanga innescato nel secondo SPAD 31 venga rilevato successivamente all?innesco di un effetto a valanga sul primo SPAD 21, all?interno della suddetta finestra temporale di correlazione Tc, come rappresentato graficamente in fig. 4c, allora, in questo caso, i mezzi elettronici di controllo 4 del generatore 1 dell?invenzione sono configurati per giudicare tale effetto a valanga sul secondo SPAD 31 valido per la generazione di un numero casuale.

In questo modo, vantaggiosamente, ? possibile individuare effettivamente gli inneschi degli effetti a valanga nel secondo SPAD 31 con ottima probabilit? determinati e correlati all?incidenza, per effetto del suddetto accoppiamento ottico, di almeno un fotone generato dal primo SPAD 21.

Di conseguenza, vantaggiosamente, con tale accorgimento dell?invenzione, ? possibile individuare e selezionare come validi, esclusivamente quegli effetti a valanga generati sul secondo SPAD 31 correlati all?emissione di fotoni da parte del primo SPAD 21.

Preferibilmente ma non necessariamente, la durata di tale finestra temporale di correlazione Tc ? scelta nell?intorno di 1-2 nanosecondi. Ulteriormente, secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, tali mezzi elettronici di controllo 4 sono configurati anche per validare i segnali di uscita del primo SPAD 21, in modo da assicurare che gli eventuali eventi a valanga e quindi i fotoni generati in tale SPAD 21, avvengano solo dopo un certo tempo rispetto alla fase di precarica dello stesso primo SPAD 21, laddove tale precarica prevede che la tensione ai capi della giunzione dello SPAD 21 passi da una condizione VSPAD1 < Vbreakdown ad una condizione VSPAD1 = Vbreakdown Vexc.

Tale caratteristica permette di filtrare eventi indesiderati sul suddetto primo SPAD 21 dovuti all?Afterpulsing. Infatti, per la sua origine fisica, in generale, l?evento di Afterpulsing ha una maggiore probabilit? di accadere durante o immediatamente dopo la precarica dello SPAD. Quindi un modo per ovviare al problema di Afterpulsing ? proprio quello di scartare e quindi non considerare a priori, come schematizzato in fig. 10, tutti quegli eventi che si manifestano all?interno di una finestra temporale Tf di durata prestabilita immediatamente dopo la fase di precarica del primo SPAD 21 emettitore.

Preferibilmente tale finestra pu? essere scelta con una durata nell?interno di alcuni nanosecondi.

Un altro aspetto del generatore di numeri casuali 1 dell?invenzione ? relativo al fatto di prevedere, integrato nel suddetto singolo substrato di silicio 5, un primo circuito di quenching 6 operativamente connesso al primo SPAD 21, laddove tale primo circuito di quenching 6 comprende, come rappresentato schematicamente in fig. 5:

- un blocco circuitale di ritardo 7, operativamente connesso al terminale di anodo 211 del primo SPAD 21 e configurato per fornire in corrispondenza di una propria uscita 71 un segnale ritardato Sr, corrispondente ad una copia del segnale di uscita Sout ricevuto dal primo SPAD 21 con un ritardo temporale r di entit? prestabilita, come rappresentato dalle forme d?onda del grafico di fig. 6;

- un blocco circuitale ad impedenza variabile 8, operativamente connesso al terminale di anodo 211 del primo SPAD 21, laddove il blocco circuitale ad impedenza variabile 8 ? configurato per variare il valore di impedenza equivalente vista in corrispondenza del terminale di anodo 211, in base ad una tensione di polarizzazione Vv ricevuta in ingresso;

- un?unit? logica 9 configurata per ricevere in ingresso il suddetto segnale ritardato Sr e per polarizzare, mediante tale tensione di polarizzazione Vv, il blocco circuitale ad impedenza variabile 8 in modo che:

- l?impedenza equivalente vista in corrispondenza del terminale di anodo 211 assuma un valore intermedio tra un valore sostanzialmente nullo e un valore massimo, laddove tale valore intermedio ? idoneo per determinare il passaggio di una determinata corrente di valanga nel primo SPAD 21 durante un evento a valanga; tale valore intermedio viene stabilito dal momento in cui viene aperta una finestra di osservazione Tw e viene mantenuto tale fintanto che il valore del segnale ritardato Sr non denoti una rilevazione di una valanga sul primo SPAD 21; in altri termini, il passaggio di una determinata corrente di valanga nel primo SPAD 21 ha effetto a partire dell?effettivo innesco di tale valanga sul primo SPAD 21 per una finestra di emissione Ta di durata pari al suddetto ritardo temporale r del segnale ritardato Sr;

- l?impedenza equivalente vista in corrispondenza del terminale di anodo 211 assuma il suddetto valore massimo in modo da forzare lo spegnimento dell?effetto a valanga instauratosi nel primo SPAD 21; tale valore massimo viene imposto da tale unit? logica 9 nel momento cui il valore del segnale ritardato Sr denoti una rilevazione di un effetto a valanga sul suddetto primo SPAD 21.

Tale accorgimento dell?invenzione consente, vantaggiosamente, di prolungare l?attivit? da parte del primo SPAD 21 di emissione del flusso di fotoni, per un tempo prolungato (corrispondente alla suddetta finestra di emissione Ta, ovvero al suddetto ritardo temporale r imposto al segnale di uscita Sout). Infatti, ? noto che forzando il passaggio di corrente di valanga attraverso la giunzione P-N del primo SPAD 21 per un certo tempo, vi ? un prolungamento dell?attivit? di emissione di fotoni da parte dello stesso primo SPAD 21. In questo modo, pertanto la quantit? di fotoni emessi e la durata della loro emissione in corrispondenza della valanga sono controllate. Questo fenomeno ? stato verificato sperimentalmente dal richiedente, e i risultati ottenuti possono essere apprezzati nel grafico di fig. 7, in cui si pu? osservare che l?ampiezza della corrente incide sull?attivit? dell?emissione di fotoni da parte del primo SPAD 21.

Di conseguenza, tale prolungamento nell?emissione di fotoni in corrispondenza di un effetto a valanga nel primo SPAD 21, aumenta il numero di inneschi di valanghe nel secondo SPAD 31 considerati validi, ovvero correlati all?emissione di tali fotoni da parte del primo SPAD 21.

Preferibilmente tale ritardo imposto al segnale di uscita Sout dal primo SPAD 21 e, quindi, la durata di tale finestra di emissione Ta sono scelti tra qualche centinaia di picosecondi a qualche nanosecondo.

Successivamente alla chiusura di tale finestra di emissione Ta, l?unit? logica 9, come indicato sopra, ? configurata per pilotare il blocco ad impedenza variabile 8 in modo da imporre un?impedenza equivalente sul terminale di anodo 211 del primo SPAD 21 con un valore massimale, in modo da forzare lo spegnimento dell?effetto a valanga, come per un circuito di quenching di tipo noto.

Ancora preferibilmente ma non necessariamente, il blocco circuitale ad impedenza variabile 8 ? implementato mediante un transistor 81 configurato per essere polarizzati mediante detta tensione di polarizzazione Vv.

Non ? escluso, tuttavia, che tale blocco circuitale ad impedenza variabile 8 possa essere implementato da due o pi? transistor, purch? configurati per consentire la variazione del valore dell?impedenza equivalente vista dal terminale di anodo 211, in base alla tensione di polarizzazione Vv impostagli dall?unit? logica 9.

Ancora preferibilmente, la connessione operativa tra il terminale di anodo 211 del primo SPAD 21 e il blocco circuitale di ritardo 7 ? attuata con il tramite di un blocco circuitale di interfacciamento 11, detto in gergo tecnico di ?Front End?, configurato per rilevare il segnale di corrente presente nel suddetto terminale di anodo 211 e per generare un segnale digitale di uscita Sout, in base a tale rilevazione.

Ulteriormente, secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, il primo circuito di quenching 6 comprende un blocco circuitale di inibizione 10, operativamente connesso al terminale di anodo 211 del primo SPAD 21 e ad una sorgente di tensione di polarizzazione Vexc.

L?unit? logica 9 ? configurata per controllare anche il blocco circuitale di inibizione 10 in modo che:

- quando il blocco circuitale di inibizione 10 ? attivato, la suddetta tensione di polarizzazione Vexc viene imposta al terminale di anodo 211, il valore di tale tensione Vexc essendo scelto in modo che:

VSPAD1 - Vexc < Vbreakdown del primo SPAD 21;

- quando il blocco circuitale di inibizione 10 ? disattivato, il collegamento tra la sorgente di tensione di polarizzazione Vexc e il terminale di anodo 211 ? interrotto.

La presenza del suddetto blocco circuitale di inibizione 10 consente di imporre una fase di ripristino delle condizioni iniziali, detta in gergo tempo morto o (Dead Time), attivando il blocco circuitale di inibizione 10, durante la quale non pu? verificarsi un effetto a valanga nel primo SPAD 21. Successivamente, disattivando tale blocco circuitale di inibizione 10 e ponendo a ground il terminale di anodo 211, si ripristina la condizione del primo SPAD 21 per cui in esso pu? innescarsi un effetto a valanga, riaprendo cos? la suddetta finestra di osservazione Tw.

Specificatamente, secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione anche il blocco circuitale di inibizione 10, ? implementato con un transistor 101 configurato per essere polarizzato dalla suddetta unit? logica 9.

Per inciso, ? importante evidenziare che la soluzione proposta per il primo circuito di quenching 6, potrebbe essere di per s? oggetto di rivendicazione senza la necessit? che il generatore di numeri casuali 1, in particolare i mezzi elettronici di controllo 4, siano configurati per discriminare gli eventi a valanga innescati nel secondo SPAD 31, correlati agli effetti a valanga del primo SPAD 21 da quelli non correlati a quest?ultimi, mediante la suddetta finestra temporale di correlazione Tc.

Infatti, la struttura e la funzionalit? di tale primo circuito di quenching 6 consentono da sole di ottenere un prolungamento dell?attivit? di emissione da parte di uno SPAD, indipendentemente da un?eventuale correlazione con effetti a valanga innescati su altri SPAD.

Un terzo aspetto dell?invenzione riguarda una tecnica alternativa di estrazione dei numeri casuali a partire dalle rilevazioni di un effetto a valanga instaurato nel suddetto secondo SPAD 31.

Tale tecnica risulta particolarmente efficace nel caso in cui gli effetti a valanga sul secondo SPAD 31 sono rari, ovvero se si ha un basso flusso di fotoni generati dal primo SPAD 21 e quindi la probabilit? di avere un solo evento valido per ciclo di misura si avvicina a uno.

In particolare, tale terzo aspetto riguarda il fatto che il generatore di numeri casuali 1 dell?invenzione, secondo la preferita forma esecutiva, comprende ulteriormente mezzi elettronici di campionamento 12 con frequenza di campionamento pari a fw = 1/Tw, laddove Tw , come gi? visto, rappresenta la durata di ciascuna delle finestre di osservazione che si susseguono tra loro, durante le quali entrambi il primo SPAD 21 e il secondo SPAD 31 sono in una condizione tale per cui un effetto a valanga pu? essere innescato su di essi.

Secondo l?invenzione, le finestre di osservazione Tw sono suddivise in gruppi GTw tra loro consecutivi, ciascuno comprendente un numero M di finestre di osservazione Tw. In particolare, secondo l?invenzione, il numero M di finestre di osservazione Tw ? definito costante per tutti i gruppi consecutivi GTw.

Inoltre, ciascuna finestra di osservazione Tw , per ciascun gruppo GTw, viene indicizzata con un valore di indicizzazione i proporzionale alla posizione assunta da tale finestra di osservazione Tw all?interno del proprio gruppo GTw.

In particolare, secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, le finestre di osservazione Tw di ciascun gruppo GTw vengono indicizzate con un valore intero i compreso tra 0 e M-1.

Non ? escluso, tuttavia, che secondo differenti forme esecutive dell?invenzione, i valori di indicizzazione i siano diversi rispetto a quelli della preferita forma esecutiva, purch?, come gi? detto, siano proporzionali alla posizione di ciascuna finestra di osservazione Tw all?interno del gruppo GTw.

Si precisa, inoltre, che tali valori di indicizzazione i, secondo l?invenzione, si ripetono ciclicamente in modo inalterato per tutti i gruppi GTw.

Secondo l?invenzione, i mezzi elettronici di campionamento 12 sono configurati per acquisire il valore di indicizzazione i della finestra di osservazione Tw in cui ? stato rilevato un effetto a valanga innescato nel secondo SPAD 31, per ciascuno dei gruppi GTw, come schematicamente rappresentato in fig. 8, e per estrarre una sequenza binaria in base a ciascuno dei valori di indicizzazione i acquisiti.

Vantaggiosamente, tale accorgimento, ovvero quello di sfruttare il valore di indicizzazione i della finestra di osservazione Tw in cui ? stato rilevato un effetto a valanga, piuttosto che utilizzare il valore del tempo di arrivo dell?effetto a valanga all?interno della suddetta finestra di osservazione Tw, come previsto dall?arte nota, consente innanzitutto di rendere meno complessa l?elettronica dei mezzi di campionamento 12.

Infatti, a differenza dei mezzi elettronici di campionamento solitamente utilizzati dall?arte nota, che comprendono necessariamente i complessi TDC (Time to Digital Converter), in grado appunto, di sfruttare il tempo di arrivo per la generazione del numero casuale, nel caso della tecnica dell?invenzione, che prevede di sfruttare il valore di indicizzazione i, ? sufficiente prevedere dei semplici contatori logici che siano in grado di incrementare progressivamente il valore di indicizzazione i relativo alle suddette finestre di osservazione Tw che si susseguono per ciascun gruppo GTw.

Inoltre, il fatto di prevedere dei contatori logici al posto dei TDC, consente di ridurre i consumi di potenza del generatore di numeri casuali 1, ed inoltre, consente di evitare le non linearit? di funzionamento degli stessi TDC, che aumentano con l?aumento della risoluzione richiesta ai generatori di numeri casuali.

Infatti, l?utilizzo di tali TDC determina delle distorsioni sulla distribuzione dei tempi di arrivo che di conseguenza riducono, svantaggiosamente, il livello di entropia del generatore a numeri casuali.

Chiaramente, con la tecnica dell?invenzione appena proposta, l?efficacia e l?uniformit? della distribuzione degli effetti a valanga viene raggiunta nel caso in cui tali effetti a valanga risultino rari, ovvero se per ogni gruppo di finestre di osservazione Tw, si ha un basso flusso di fotoni e quindi la probabilit? di avere un unico effetto a valanga ? elevata.

A tal fine, quindi, per garantire tale prerogativa, secondo l?invenzione, il numero M di finestre di osservazione Tw per ciascun gruppo GTw ? scelto in modo che M < N, laddove N indica il numero di finestre di osservazione Tw consecutive entro cui mediamente si osserva un solo effetto a valanga in detto secondo SPAD 31.

A titolo di esempio, nel caso in cui il numero N di finestre di osservazioni Tw consecutive entro cui mediamente si osserva un solo effetto a valanga, in specifiche condizioni operative del generatore 1 dell?invenzione, sia pari a 128 finestre, il numero M di finestre di osservazione Tw che compongono ciascun gruppo GTw pu? essere scelto pari a 64. In questo modo si garantisce ampiamente la condizione sopra indicata.

Anche in questo caso, ? importante evidenziare che tale tecnica di estrazione dei numeri casuali appena proposta, potrebbe essere di per s? oggetto di rivendicazione senza la necessit? che il generatore di numeri casuali 1, in particolare i mezzi elettronici di controllo 4, siano configurati per discriminare gli effetti a valanga innescati nel secondo SPAD 31, correlati agli effetti a valanga del primo SPAD 21 da quelli non correlati a quest?ultimi, mediante la suddetta finestra temporale di correlazione Tc.

Infatti, la tecnica di estrazione appena descritta consente di per s? di ottenere una maggiore uniformit? e linearit? dell?estrazione dei numeri casuali, mantenendo perci? elevato il livello di entropia del sistema in cui tale modalit? viene implementata, riducendo al contempo la complessit? dell?elettronica e i consumi di potenza della stessa.

Un ulteriore aspetto dell'invenzione prevede l'introduzione di tecniche per ottimizzare l'accoppiamento ottico tra emettitore e ricevitore.

La prima tecnica consiste nel prevedere un shield di metallo al di sopra dell'emettitore e del ricevitore che consenta ai fotoni (verticali) di riflettere la luce per essere poi rivelata dal detector. Tale tecnica permette infatti di sopperire all'attenuazione del segnale ottico altrimenti assorbito nel silicio prima di giungere al ricevitore.

Una seconda tecnica prevede di minimizzare le distanze tra emettitore e ricevitore. Tale riduzione ? ottimizzata nel caso in cui i due SPAD 21 e 31 sono tra loro simili e hanno condiviso lo stesso catodo. Questo risulta tuttavia un fattore limitante in quanto non ? possibile polarizzare l'emettitore con una tensione diversa dal ricevitore e quindi non ? possibile, di conseguenza, regolarne l'attivit?. Tale ultimo aspetto pu? essere ovviato mediante l'utilizzo di un primo SPAD 21 comprendente un gate perimetrale.

In particolare, come rappresentato in fig. 9, tale tecnica prevede che il primo SPAD 21 comprenda un gate perimetrale 13 realizzato in polisilicio superiormente alla giunzione P-N 14 dello stesso primo SPAD 21. Tale tipologia di SPAD ? noto, in letteratura, con l?acronimo di PGSPAD (Perimeter-Gated SPAD).

In tal caso, secondo l?invenzione, i mezzi elettronici di controllo 4 sono configurati per polarizzare il suddetto gate perimetrale 13 con una tensione di polarizzazione Vg, indipendente dalla prima tensione di polarizzazione VSPAD1 della giunzione P-N 14 del primo SPAD 21 stesso, in modo da modulare l?attivit? di emissione dei fotoni di tale primo SPAD 21.

Questa soluzione, secondo la preferita forma esecutiva dell?invenzione, ? implementata in aggiunta al primo circuito di quenching 6.

Tuttavia, non ? escluso che tale soluzione, secondo differenti forme esecutive dell?invenzione, possa essere implementata alternativamente al primo circuito di quenching 6.

In ogni caso, tale soluzione consente di realizzare sul suddetto substrato semiconduttore 5, il secondo SPAD 31 molto ravvicinato rispetto al primo SPAD 21, nell?ordine di pochi micrometri, in modo da aumentare l?accoppiamento ottico tra i due SPAD 21 e 31, e allo stesso tempo in modo da permettere un funzionamento dissimile tra gli stessi due SPAD 21 e 31. In altri termini, la presenza del suddetto gate perimetrale 13 permette di aumentare l?emissione di fotoni da parte del primo SPAD 21, imponendo la suddetta tensione di polarizzazione Vg a tale gate 13, senza alterare le tensioni di polarizzazione VSPAD1 e VSPAD2 di entrambi gli SPAD 21 e 31, le quali nel caso di estrema vicinanza dei suddetti SPAD 21 e 31 necessariamente assumono valori condivisi.

Un'ulteriore caratteristica del generatore 1 dell?invenzione consiste nel prevedere mezzi elettronici di post-processing, non rappresentati nelle figure, configurati per ricevere in ingresso le sequenze binarie estratte dai mezzi elettronici di campionamento 12 e per elaborare dette sequenze binarie in modo da innalzare il valore di entropia per bit di output del generatore 1 stesso.

In base a quanto detto, quindi, il generatore di numeri casuali 1 dell?invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, ? raggiunto lo scopo di realizzare un generatore di numeri realmente casuali che consenta di garantire un elevato livello di entropia in modo, almeno, da superare i test statistici stabiliti dal NIST (National Institute of Standards and Technology).

In particolare, ? scopo raggiunto dall?invenzione quello di realizzare un metodo per distinguere e filtrare eventi spuri da eventi luce, in modo tale da garantire con elevata probabilit? che i soli eventi rilevati siano di origine quantica e non termica.

E? raggiunto quindi lo scopo di circoscrivere il pi? possibile la generazione dei numeri casuali esclusivamente in conseguenza a quegli effetti a valanga innescati nei rilevatori strettamente correlati al flusso di fotoni generato dalla sorgente di fotoni.

Un ulteriore scopo raggiunto ? la realizzazione di un generatore di numeri realmente casuali che consenta di ottenere un elevato bit rate nella generazione di sequenza casuali di bits.

Altro scopo raggiunto ? la realizzazione di un generatore di numeri realmente casuali che presenti una struttura pi? compatta, pi? robusta, meno complessa rispetto ai generatori di numeri casuali dell?arte nota.

Infine, ? raggiunto anche lo scopo di realizzare un generatore di numeri realmente casuali con un elevato grado di sicurezza contro eventuali effrazioni e manomissioni dei suoi componenti interni.

Infine, ? raggiunto anche lo scopo di realizzare un generatore di numeri realmente casuali pi? economico rispetto ai generatori dell?arte nota.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1) Generatore di numeri casuali (1) del tipo comprendente, integrati in un singolo substrato di silicio (5):

- almeno una sorgente di fotoni (2);

- almeno un rilevatore di fotoni (3) configurato per rilevare un flusso di fotoni generato da detta sorgente di fotoni (2);

detto generatore di numeri casuali (1) comprendendo inoltre mezzi elettronici di controllo (4) operativamente connessi con detta sorgente di fotoni (2) e con detto rilevatore di fotoni (3);

caratterizzato dal fatto che:

- detta sorgente di fotoni (2) comprende un primo SPAD (21) configurato per emettere un flusso di fotoni, conseguentemente all?innesco di un effetto a valanga in detto primo SPAD (21);

- detto rilevatore di fotoni (3) comprende un secondo SPAD (31) configurato per rilevare almeno un fotone di detto flusso di fotoni generato da detto primo SPAD (21);

- detti mezzi elettronici di controllo (4) sono configurati per polarizzare in modalit? Gaiger detto primo SPAD (21) e detto secondo SPAD (31) mediante una prima tensione di polarizzazione (VSPAD1) e una seconda tensione di polarizzazione (VSPAD2), detti mezzi elettronici di controllo (4) essendo inoltre operativamente connessi all?uscita di detto primo SPAD (21) e all?uscita di detto secondo SPAD (31) in modo da ricevere i segnali di uscita (Sout, Sout2) generati dagli effetti a valanga innescati rispettivamente in detto primo SPAD (21) e in detto secondo SPAD (31), detti mezzi elettronici di controllo (4) essendo configurati per considerare come validi per la generazione di un numero casuale esclusivamente i segnali di uscita (Sout2) da detto secondo SPAD (31) generati da effetti a valanga innescati in detto secondo SPAD (31) all?interno di una finestra temporale di correlazione (Tc), di durata prestabilita, a partire dall?istante in cui detti mezzi elettronici di controllo (4) hanno rilevato un effetto a valanga in detto primo SPAD (21).

2) Generatore di numeri casuali (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elettronici di controllo (4) risultano integrati in detto singolo substrato di silicio (5).

3) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere, integrato in detto singolo substrato di silicio (5), un primo circuito di quenching (6) operativamente connesso a detto primo SPAD (21), detto primo circuito di quenching (6) comprendendo:

- un blocco circuitale di ritardo (7), operativamente connesso al terminale di anodo (211) di detto primo SPAD (21) e configurato per fornire in corrispondenza di una propria uscita (71) un segnale ritardato (Sr), corrispondente ad una copia di detto segnale di uscita (Sout) ricevuto da detto primo SPAD (21) con un ritardo temporale (r) di entit? prestabilita;

- un blocco circuitale ad impedenza variabile (8) operativamente connesso al terminale di anodo (211) di detto primo SPAD (21), detto blocco circuitale ad impedenza variabile (8) essendo configurato per variare il valore di impedenza equivalente vista in corrispondenza di detto terminale di anodo (211) in base ad una tensione di polarizzazione (Vv) ricevuta in ingresso;

- un?unit? logica (9) configurata per ricevere in ingresso detto segnale ritardato (Sr) e per polarizzare mediante detta tensione di polarizzazione (Vv) detto blocco circuitale ad impedenza variabile (8) in modo che:

- detta impedenza equivalente vista in corrispondenza di detto terminale di anodo (211) assuma un valore intermedio tra un valore sostanzialmente nullo e un valore massimo, laddove detto valore intermedio ? idoneo per determinare il passaggio di una corrente di valanga in detto primo SPAD (21) durante un effetto a valanga; detto valore intermedio essendo stabilito dal momento in cui viene aperta una finestra di osservazione (Tw) ed essendo mantenuto fintanto che il valore di detto segnale ritardato (Sr) non denoti una rilevazione di un effetto a valanga su detto primo SPAD (21);

- detta impedenza equivalente vista in corrispondenza di detto terminale di anodo (211) assuma detto valore massimo in modo da forzare lo spegnimento dell?effetto a valanga instauratosi in detto primo SPAD (21); detto valore massimo essendo imposto nel momento cui il valore di detto segnale ritardato (Sr) denoti una rilevazione di un effetto a valanga su detto primo SPAD (21).

4) Generatore di numeri casuali (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto blocco circuitale ad impedenza variabile (8) comprende uno o pi? transistor (81) configurati per essere polarizzati mediante detta tensione di polarizzazione (Vv).

5) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detto primo circuito di quenching (6) comprende un blocco circuitale di inibizione (10) operativamente connesso a detto terminale di anodo (211) di detto primo SPAD (21) e ad una sorgente di tensione di polarizzazione (Vexc), detta unit? logica (9) essendo configurata per controllare detto blocco circuitale di inibizione (10) in modo che:

- quando detto blocco circuitale di inibizione (10) ? attivato, detta tensione (Vexc) viene imposta a detto terminale di anodo (211), detto valore di tensione (Vexc) essendo scelto in modo che:

VSPAD1-Vexc < Vbreakdown di detto primo SPAD (21); - quando detto blocco circuitale di inibizione (10) ? disattivato, il collegamento tra detta sorgente di tensione di polarizzazione (Vexc) e detto terminale di anodo (211) ? interrotto.

6) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elettronici di controllo (4) sono configurati per validare i segnali di uscita di detto primo SPAD (21), detta validazione prevedendo di scartare gli eventi a valanga che si manifestano in detto primo SPAD (21) all?interno di una finestra temporale (Tf) di durata prestabilita immediatamente dopo la fase di precarica di detto primo SPAD (21), laddove detta fase di precarica prevede che la tensione ai capi della giunzione di detto primo SPAD (21) passi da una condizione VSPAD1 < Vbreakdown ad una condizione VSPAD1 = Vbreakdown Vexc.

7) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta connessione operativa tra detto terminale di anodo (211) di detto primo SPAD (21) e detto blocco circuitale di ritardo (7) ? attuata con il tramite di un blocco circuitale di interfacciamento (11) configurato per rilevare il segnale di corrente presente in detto terminale di anodo (211) di detto primo SPAD (21) e per generare un segnale digitale di uscita (Sout) in base a detta rilevazione.

8) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi elettronici di campionamento (12) con frequenza di campionamento pari a fw = 1/Tw, essendo Tw la durata di ciascuna delle finestre di osservazione (Tw) che si susseguono tra loro, laddove dette finestre di osservazione (Tw) sono suddivise in gruppi (GTw) tra loro consecutivi, ciascuno comprendente un numero M di finestre di osservazione (Tw), ciascuna di dette finestre di osservazione (Tw) essendo indicizzata con un valore di indicizzazione i proporzionale alla posizione assunta da detta finestra di osservazione (Tw) all?interno del proprio gruppo (GTw), detti valori di indicizzazione i ripetendosi ciclicamente in modo inalterato per detti gruppi (GTw), detti mezzi elettronici di campionamento (12) essendo configurati per acquisire il valore di indicizzazione i della finestra di osservazione (Tw) in cui ? stato rilevato un evento valido in detto secondo SPAD (31) per ciascuno di detti gruppi (GTw) e per estrarre una sequenza binaria in base a ciascuno di detti valori di indicizzazione i acquisiti.

9) Generatore di numeri (1) casuali secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto numero M di finestre di osservazione (Tw) ? definito costante per tutti detti gruppi (GTw) consecutivi, detto numero M di finestre di osservazione (Tw) per ciascuno di detti gruppi (GTw) essendo scelto in modo che M<N, laddove N indica il numero di finestre di osservazioni (Tw) consecutive entro cui mediamente si osserva un solo effetto a valanga in detto secondo SPAD (31).

10) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elettronici di campionamento (12) comprendono uno o pi? contatori per definire l?indicizzazione di dette finestre di osservazione (Tw) di ciascuno di detti gruppi (GTw).

11) Generatore di numeri casuali (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo SPAD (21) comprende un gate perimetrale (13) realizzato in polisilicio superiormente alla giunzione P-N (14) di detto primo SPAD (21), detti mezzi elettronici di controllo (4) essendo configurati per polarizzare detto gate perimetrale (13) con una tensione di polarizzazione (Vg) indipendente dalla prima tensione di polarizzazione (VSPAD1) di detta giunzione P-N (14) di detto primo SPAD (21), in modo da modulare l?attivit? di emissione di fotoni di detto primo SPAD (21).