JP2000276329A - 超高速物理乱数生成装置 - Google Patents
超高速物理乱数生成装置Info
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- JP2000276329A JP2000276329A JP11122812A JP12281299A JP2000276329A JP 2000276329 A JP2000276329 A JP 2000276329A JP 11122812 A JP11122812 A JP 11122812A JP 12281299 A JP12281299 A JP 12281299A JP 2000276329 A JP2000276329 A JP 2000276329A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 乱数検定を全く必要としない真の完全に一様
な物理乱数を、毎秒１０Ｍビットから１Ｇビットという
超高速で生成させ、安価で容易に利用できるようにす
る。 【解決手段】 光放射ダイオード（ＬＥＤ）１１が放出
する光子の塊を、アバランシェ（増幅型）ＰＩＮダイオ
ード検出器１２、１３で検出してランダムなパルス信号
を生成させる。２個の検出器１２、１３のうち一方が光
子塊を検出した場合を０、もう一方が光子塊を検出した
場合を１として１ビット乱数を生成し、連続するこの１
ビット乱数の羅列でもって任意のビットの乱数を生成さ
せる。
な物理乱数を、毎秒１０Ｍビットから１Ｇビットという
超高速で生成させ、安価で容易に利用できるようにす
る。 【解決手段】 光放射ダイオード（ＬＥＤ）１１が放出
する光子の塊を、アバランシェ（増幅型）ＰＩＮダイオ
ード検出器１２、１３で検出してランダムなパルス信号
を生成させる。２個の検出器１２、１３のうち一方が光
子塊を検出した場合を０、もう一方が光子塊を検出した
場合を１として１ビット乱数を生成し、連続するこの１
ビット乱数の羅列でもって任意のビットの乱数を生成さ
せる。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、乱数生成装置に関
し、ＬＥＤ（光放射ダイオード）からランダムに放出さ
れる光子の集団を、増殖型ＰＩＮダイオードでパルスと
して検出して、最も完全に近い一様な真の物理乱数を、
超高速で生成する物理乱数生成装置に関する。
し、ＬＥＤ（光放射ダイオード）からランダムに放出さ
れる光子の集団を、増殖型ＰＩＮダイオードでパルスと
して検出して、最も完全に近い一様な真の物理乱数を、
超高速で生成する物理乱数生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の物理乱数生成方式としては、原子
核の崩壊現象というランダム現象を測定して自然乱数を
生成する本願発明者による特願平９−３６３８９３９
号、特願平１０−１１０１１００号などがある。しか
し、これらの物理乱数生成方式では、真の自然乱数が生
成できることに特徴がある。これらは乱数の生成速度が
放射線源の強度に依存しており、放射線安全管理上から
１秒間に１００Ｋビットの生成速度が限界であった。
核の崩壊現象というランダム現象を測定して自然乱数を
生成する本願発明者による特願平９−３６３８９３９
号、特願平１０−１１０１１００号などがある。しか
し、これらの物理乱数生成方式では、真の自然乱数が生
成できることに特徴がある。これらは乱数の生成速度が
放射線源の強度に依存しており、放射線安全管理上から
１秒間に１００Ｋビットの生成速度が限界であった。
【０００３】従来のもうひとつの物理乱数生成方式とし
て、電子回路系等のホワイトノイズを利用する方法が広
く知られている。この方式は高速で乱数を生成するには
適しているが、生成された乱数には、周波数に逆比例す
る所謂Ｆ分の１成分が含まれている。この方法ではＦ分
の１成分をソフトで除去する必要があるので、厳密な意
味で真の乱数とは言いがたい。
て、電子回路系等のホワイトノイズを利用する方法が広
く知られている。この方式は高速で乱数を生成するには
適しているが、生成された乱数には、周波数に逆比例す
る所謂Ｆ分の１成分が含まれている。この方法ではＦ分
の１成分をソフトで除去する必要があるので、厳密な意
味で真の乱数とは言いがたい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の放射線源を利用
する方法では、放射線安全管理上から１秒間に１００Ｋ
ビットの生成速度が限界であった。ホワイトノイズを利
用する方法では、Ｆ分の１成分をソフトで除去する必要
があるので、厳密な意味で真の乱数は得られなかった。
この発明の目的は、ＬＥＤ光源とフォトダイオード検出
器という安価で安全で安定した装置により、１秒間に１
Ｇビットという従来にない超高速でもって、完全に一様
な真の乱数を生成させるようにする。
する方法では、放射線安全管理上から１秒間に１００Ｋ
ビットの生成速度が限界であった。ホワイトノイズを利
用する方法では、Ｆ分の１成分をソフトで除去する必要
があるので、厳密な意味で真の乱数は得られなかった。
この発明の目的は、ＬＥＤ光源とフォトダイオード検出
器という安価で安全で安定した装置により、１秒間に１
Ｇビットという従来にない超高速でもって、完全に一様
な真の乱数を生成させるようにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】第１の発明では、光放射
ダイオードから、ランダムに、順番に放射される光子の
集団である各光子塊を、シリコンフォトダイオードを用
いて独立した各電気の塊として検出し、この各電気の塊
をパルス整形器でパルスに変換して出力することによ
り、１秒間に１０Ｍカウント以上という速度のランダム
なパルスを生成する。
ダイオードから、ランダムに、順番に放射される光子の
集団である各光子塊を、シリコンフォトダイオードを用
いて独立した各電気の塊として検出し、この各電気の塊
をパルス整形器でパルスに変換して出力することによ
り、１秒間に１０Ｍカウント以上という速度のランダム
なパルスを生成する。
【０００６】第２の発明では、光放射ダイオードから、
ランダムに、順番に放射される光子の集団である各光子
塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択一的
に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊を第
１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第２の
パルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互いに
独立に出力することにより、１秒間に１０Ｍカウント以
上というランダムパルスを生成する。
ランダムに、順番に放射される光子の集団である各光子
塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択一的
に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊を第
１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第２の
パルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互いに
独立に出力することにより、１秒間に１０Ｍカウント以
上というランダムパルスを生成する。
【０００７】第３の発明では、光放射ダイオードから、
ランダムに、順番に放射される光子の集団である各光子
塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択一的
に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊を第
１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第２の
パルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互いに
独立に出力することにより、前記２個のシリコンフォト
ダイオードのうち、一方のシリコンフォトダイオードが
前記電気の塊を出力し、前記第１のパルス整形器で一方
のパルスを出力した場合に状態が０または１となる第１
記憶素子と、他方のシリコンフォトダイオードが前記電
気の塊を出力し、前記第２のパルス整形器で他方のパル
スを出力した場合に状態が１または０となる第２記憶素
子と、前記光放射ダイオードとは別に、別の光放射ダイ
オードからランダムに、順番に放射される光子の集団で
ある光子塊を、別のシリコンフォトダイオードを用いて
各電気の塊として検出し、この電気の塊を生成するたび
に、前記１記憶素子は前記一方のパルスが出力された場
合に前記０または１の状態を１または０とし、かつ、前
記第２記憶素子は前記他方のパルスが出力された場合に
前記１または０の状態が０または１へと切り替える切替
装置とを設けて、これら第１記憶素子と第２記憶素子と
が保持する０と１または１と０とを読み出すことにより
各１ビットの乱数を生成し、この各１ビットの乱数の羅
列でもって、物理乱数を生成する。
ランダムに、順番に放射される光子の集団である各光子
塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択一的
に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊を第
１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第２の
パルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互いに
独立に出力することにより、前記２個のシリコンフォト
ダイオードのうち、一方のシリコンフォトダイオードが
前記電気の塊を出力し、前記第１のパルス整形器で一方
のパルスを出力した場合に状態が０または１となる第１
記憶素子と、他方のシリコンフォトダイオードが前記電
気の塊を出力し、前記第２のパルス整形器で他方のパル
スを出力した場合に状態が１または０となる第２記憶素
子と、前記光放射ダイオードとは別に、別の光放射ダイ
オードからランダムに、順番に放射される光子の集団で
ある光子塊を、別のシリコンフォトダイオードを用いて
各電気の塊として検出し、この電気の塊を生成するたび
に、前記１記憶素子は前記一方のパルスが出力された場
合に前記０または１の状態を１または０とし、かつ、前
記第２記憶素子は前記他方のパルスが出力された場合に
前記１または０の状態が０または１へと切り替える切替
装置とを設けて、これら第１記憶素子と第２記憶素子と
が保持する０と１または１と０とを読み出すことにより
各１ビットの乱数を生成し、この各１ビットの乱数の羅
列でもって、物理乱数を生成する。
【０００８】請求項４の発明では、光放射ダイオードか
ら、ランダムに、順番に放射される光子の集団である各
光子塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択
一的に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊
を第１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第
２のパルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互
いに独立に出力することにより、前記２個のシリコンフ
ォトダイオードのうち、一方のシリコンフォトダイオー
ドが前記電気の塊を出力し、前記第１のパルス整形器で
一方のパルスを出力した場合に状態が０または１となる
第１記憶素子と、他方のシリコンフォトダイオードが前
記電気の塊を出力し、前記第２のパルス整形器で他方の
パルスを出力した場合に状態が１または０となる第２記
憶素子と、前記光放射ダイオードとは別に、別の光放射
ダイオードからランダムに、順番に放射される光子の集
団である光子塊を、別のシリコンフォトダイオードを用
いて各電気の塊として検出し、この電気の塊を生成する
たびに、前記１記憶素子は前記一方のパルスが出力され
た場合に前記０または１の状態を１または０とし、か
つ、前記第２記憶素子は前記他方のパルスが出力された
場合に前記１または０の状態が０または１へと切り替え
る切替装置とを設けて、これら第１記憶素子と第２記憶
素子とが保持する０と１または１と０とを読み出すこと
により各１ビットの乱数を生成し、この各１ビットの乱
数の羅列でもって、物理乱数を生成する高速物理乱数生
成装置を、多数基並べることにより１秒間に１Ｇビット
以上という一様な物理乱数を生成する。
ら、ランダムに、順番に放射される光子の集団である各
光子塊を、２個のシリコンフォトダイオードを用いて択
一的に各電気の塊として検出し、この各電気の一方の塊
を第１のパルス整形器で一方のパルスに、他方の塊を第
２のパルス整形器で他方のパルスにそれぞれ変換して互
いに独立に出力することにより、前記２個のシリコンフ
ォトダイオードのうち、一方のシリコンフォトダイオー
ドが前記電気の塊を出力し、前記第１のパルス整形器で
一方のパルスを出力した場合に状態が０または１となる
第１記憶素子と、他方のシリコンフォトダイオードが前
記電気の塊を出力し、前記第２のパルス整形器で他方の
パルスを出力した場合に状態が１または０となる第２記
憶素子と、前記光放射ダイオードとは別に、別の光放射
ダイオードからランダムに、順番に放射される光子の集
団である光子塊を、別のシリコンフォトダイオードを用
いて各電気の塊として検出し、この電気の塊を生成する
たびに、前記１記憶素子は前記一方のパルスが出力され
た場合に前記０または１の状態を１または０とし、か
つ、前記第２記憶素子は前記他方のパルスが出力された
場合に前記１または０の状態が０または１へと切り替え
る切替装置とを設けて、これら第１記憶素子と第２記憶
素子とが保持する０と１または１と０とを読み出すこと
により各１ビットの乱数を生成し、この各１ビットの乱
数の羅列でもって、物理乱数を生成する高速物理乱数生
成装置を、多数基並べることにより１秒間に１Ｇビット
以上という一様な物理乱数を生成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】実施の形態１．一般に、ＬＥＤ
（発光ダイオード）等の光源が、１個の光子（単光子）
を放射してから次に放射するまでの時間間隔をｔとする
と、時間間隔ｔでもって放射される単光子の頻度分布
は、以下の（１）式のように、時間間隔ｔと 時間間隔
の平均値Ｔ０との比（ｔ／Ｔ０）の指数関数で表すこと
ができる。 ｄＮ／ｄｔ＝Ａｃｘｐ（−ｔ／Ｔ０）………………（１） ここで、平均時間Ｔ０は、１秒間に放射する光子数の平
均数＜Ｎ＞の逆数でＴ０＝１／＜Ｎ＞秒である。 この
単光子は宇宙放射線観測で使用される光電子倍増管で検
出することができる。
（発光ダイオード）等の光源が、１個の光子（単光子）
を放射してから次に放射するまでの時間間隔をｔとする
と、時間間隔ｔでもって放射される単光子の頻度分布
は、以下の（１）式のように、時間間隔ｔと 時間間隔
の平均値Ｔ０との比（ｔ／Ｔ０）の指数関数で表すこと
ができる。 ｄＮ／ｄｔ＝Ａｃｘｐ（−ｔ／Ｔ０）………………（１） ここで、平均時間Ｔ０は、１秒間に放射する光子数の平
均数＜Ｎ＞の逆数でＴ０＝１／＜Ｎ＞秒である。 この
単光子は宇宙放射線観測で使用される光電子倍増管で検
出することができる。
【００１０】いま単光子でなく、光子の集団（光子塊）
を検出する場合を考える。光子塊は複数の光子が時間的
に集団を形成したもので、時間的に別の光子集団と区別
できるものである。単光子はエネルギーが小さいので高
価で高感度の光電子倍増管で検出するがとができ、光子
塊はエネルギーが大きいので安価で比較的に感度の低い
シリコン・フォト・ダイオードで検出できる。光子塊と
次に放出される光子塊との間の時間間隔をｔとすると、
時間間隔ｔでもって放射される光子塊の頻度分布は
（１）式と同じように、時間間隔ｔと時間間隔の平均値
Ｔ０との比（ｔ／Ｔ０）の指数関数で表すことができ
る。 ｄＮ／ｄｔ＝Ａｅｘｐ（−ｔ／Ｔ０）………………（２）
を検出する場合を考える。光子塊は複数の光子が時間的
に集団を形成したもので、時間的に別の光子集団と区別
できるものである。単光子はエネルギーが小さいので高
価で高感度の光電子倍増管で検出するがとができ、光子
塊はエネルギーが大きいので安価で比較的に感度の低い
シリコン・フォト・ダイオードで検出できる。光子塊と
次に放出される光子塊との間の時間間隔をｔとすると、
時間間隔ｔでもって放射される光子塊の頻度分布は
（１）式と同じように、時間間隔ｔと時間間隔の平均値
Ｔ０との比（ｔ／Ｔ０）の指数関数で表すことができ
る。 ｄＮ／ｄｔ＝Ａｅｘｐ（−ｔ／Ｔ０）………………（２）
【００１１】このように、単光子だけでなく、光子塊を
放射する時間間隔も指数分布になるという事実及び光子
塊が電気の塊、即ちパルスとして安価なシリコン・フォ
ト・ダイオードで検出できるという実験事実が、本発明
の最も重要な点である。乱数生成方式としては、時間間
隔ｔを測定して１個の乱数を生成する従来の方法があ
る。この時間間隔を測定する方法では、時間計測におけ
る時計のクロック周波数は、コスト高とならない普通品
を使用した場合１００Ｍヘルツ程度である。生成乱数の
一様性はこの時計周波数に依存しており、乱数生成速度
は毎秒１００Ｋビット程度が限界となる。
放射する時間間隔も指数分布になるという事実及び光子
塊が電気の塊、即ちパルスとして安価なシリコン・フォ
ト・ダイオードで検出できるという実験事実が、本発明
の最も重要な点である。乱数生成方式としては、時間間
隔ｔを測定して１個の乱数を生成する従来の方法があ
る。この時間間隔を測定する方法では、時間計測におけ
る時計のクロック周波数は、コスト高とならない普通品
を使用した場合１００Ｍヘルツ程度である。生成乱数の
一様性はこの時計周波数に依存しており、乱数生成速度
は毎秒１００Ｋビット程度が限界となる。
【００１２】本発明では、２つの光検出器に０と１の状
態値を択一的にそれぞれ付与し、１方の検出器に光子塊
が入射した場合その出力を０、もう一方の光検出器に入
射した場合その出力を１とする。光子塊の放出すなわち
検出器への入射はランダムであるから、この０と１のラ
ンダムな１組を順次読み出して、１ビット乱数を生成す
ることができる。なお、１個の光子塊は２つの光検出器
のうちどちらかに択一的に入射する。
態値を択一的にそれぞれ付与し、１方の検出器に光子塊
が入射した場合その出力を０、もう一方の光検出器に入
射した場合その出力を１とする。光子塊の放出すなわち
検出器への入射はランダムであるから、この０と１のラ
ンダムな１組を順次読み出して、１ビット乱数を生成す
ることができる。なお、１個の光子塊は２つの光検出器
のうちどちらかに択一的に入射する。
【００１３】２個の検出器に０と１の状態値を択一的に
それぞれ付与して１ビット乱数を生成する本発明では、
測定技術としては、光子塊検出のＯＮとＯＦＦのみで、
時間測定の技術は必要ない。従って、乱数生成速度は、
検出器および回路系の速度が基本となる。電子回路系の
速度を、特別な技術を必要としない１０ナノ（ｎＳＥ
Ｃ）程度とすると、１ビット乱数の生成速度は毎秒１０
０Ｍビット程度となる。ＬＥＤ等の光源と検出器の数を
並列に増やすことで、任意の乱数生成速度、例えば毎秒
１Ｇビット以上の生成速度が達成できる。
それぞれ付与して１ビット乱数を生成する本発明では、
測定技術としては、光子塊検出のＯＮとＯＦＦのみで、
時間測定の技術は必要ない。従って、乱数生成速度は、
検出器および回路系の速度が基本となる。電子回路系の
速度を、特別な技術を必要としない１０ナノ（ｎＳＥ
Ｃ）程度とすると、１ビット乱数の生成速度は毎秒１０
０Ｍビット程度となる。ＬＥＤ等の光源と検出器の数を
並列に増やすことで、任意の乱数生成速度、例えば毎秒
１Ｇビット以上の生成速度が達成できる。
【００１４】２個の検出器系の感度を当初調整したとし
ても、ＬＥＤ、フォトダイオードや回路部品などの温度
特性の違いや、波高弁別器の閾値の変動などが一定にな
るように保障することが重要である。従って２個の検出
器とは独立（別）にもうひとつ第３の検出器系を準備し
て、この検出器のランダムなパルスでもって、２個の検
出器に択一的にそれぞれ付与した０と１の状態値（アド
レス）を逆に１と０ににそれぞれ変換する。この０と１
（１と０）のアドレスを、ランダムに且頻繁に変換する
ことにより、０と１の出現頻度を一様にし、完全に一様
な１ビット乱数が生成される。
ても、ＬＥＤ、フォトダイオードや回路部品などの温度
特性の違いや、波高弁別器の閾値の変動などが一定にな
るように保障することが重要である。従って２個の検出
器とは独立（別）にもうひとつ第３の検出器系を準備し
て、この検出器のランダムなパルスでもって、２個の検
出器に択一的にそれぞれ付与した０と１の状態値（アド
レス）を逆に１と０ににそれぞれ変換する。この０と１
（１と０）のアドレスを、ランダムに且頻繁に変換する
ことにより、０と１の出現頻度を一様にし、完全に一様
な１ビット乱数が生成される。
【００１５】上記原理に基づく実施の形態１を以下に説
明する。図１に本発明の超高速物理乱数生成装置の全体
構成を示す。超高速物理乱数生成装置は、乱数生成用の
ランダムパルス生成素子１と、第１回路の前置増幅器
３、主増幅器４、波高弁別器路５、波形整形器６と、第
２回路の前置増幅器２３、主増幅器２４、波高弁別器路
２５、波形整形器２６と、共通の１ビット乱数生成器
７、任意ビット乱数生成器９、乱数貯蔵器１０とを備え
ている。更に切り替え用のランダムパルス生成素子２と
前置増幅器３３、主増幅器３４、波高弁別器路３５、波
形整形器３６とアドレス変換器８とを備えている。
明する。図１に本発明の超高速物理乱数生成装置の全体
構成を示す。超高速物理乱数生成装置は、乱数生成用の
ランダムパルス生成素子１と、第１回路の前置増幅器
３、主増幅器４、波高弁別器路５、波形整形器６と、第
２回路の前置増幅器２３、主増幅器２４、波高弁別器路
２５、波形整形器２６と、共通の１ビット乱数生成器
７、任意ビット乱数生成器９、乱数貯蔵器１０とを備え
ている。更に切り替え用のランダムパルス生成素子２と
前置増幅器３３、主増幅器３４、波高弁別器路３５、波
形整形器３６とアドレス変換器８とを備えている。
【００１６】ランダムパルス生成素子１は、乱数生成用
で１個の光放射ダイオード（ＬＥＤ）光源１１および２
個のアバランシェ（増殖型）ＰＴＮダイオード１２と増
殖型ＰＩＮダイオード１３が一組となっている。切り替
え用のランダムパルス生成素子２は、１個の光源１４と
１個のＰＩＮダイオード１５が一体となっている。アド
レス変換器８の出力は共通の１ビット乱数生成器７に変
換駆動信号として送られる。増殖型ＰＩＮダイオード１
２、１３はアバランシェ（増殖型）であり、シリコン・
フォト・ダイオードの一種である。
で１個の光放射ダイオード（ＬＥＤ）光源１１および２
個のアバランシェ（増殖型）ＰＴＮダイオード１２と増
殖型ＰＩＮダイオード１３が一組となっている。切り替
え用のランダムパルス生成素子２は、１個の光源１４と
１個のＰＩＮダイオード１５が一体となっている。アド
レス変換器８の出力は共通の１ビット乱数生成器７に変
換駆動信号として送られる。増殖型ＰＩＮダイオード１
２、１３はアバランシェ（増殖型）であり、シリコン・
フォト・ダイオードの一種である。
【００１７】図１では省略したが、装置全体を活性化し
たり光源１１を点灯する電源と装置全体を駆動する基本
クロック生成回路を備えている。１ビット乱数生成器７
はレジスター２８とレジスター２９とを備え、第１回路
の波形整形器６の出力はレジスター２８に、第２回路の
波形整形器２６の出力はレジスター２９にそれぞれ送ら
れる。レジスター２８とレジスター２９の値は順次読み
出され、任意ビット乱数生成器９に送られる。任意ビッ
ト乱数生成器９では順次受信したビット列を、４ビット
又は８ビット等に区切って、乱数貯蔵器１０に送る。乱
数貯蔵器１０では設定されたビット単位の乱数を格納
し、必要に応じて外部の情報処理装置、計算機に転送す
る。
たり光源１１を点灯する電源と装置全体を駆動する基本
クロック生成回路を備えている。１ビット乱数生成器７
はレジスター２８とレジスター２９とを備え、第１回路
の波形整形器６の出力はレジスター２８に、第２回路の
波形整形器２６の出力はレジスター２９にそれぞれ送ら
れる。レジスター２８とレジスター２９の値は順次読み
出され、任意ビット乱数生成器９に送られる。任意ビッ
ト乱数生成器９では順次受信したビット列を、４ビット
又は８ビット等に区切って、乱数貯蔵器１０に送る。乱
数貯蔵器１０では設定されたビット単位の乱数を格納
し、必要に応じて外部の情報処理装置、計算機に転送す
る。
【００１８】次に超高速乱数生成装置の動作を説明す
る。受光からパルスの生成までは、第１と第２回路とも
原理が同じなので、これらをまとめて説明する。１個の
ＬＥＤ光源１１からの光子塊は、増殖型ＰＩＮダイオー
ド１２または増殖型ＰＩＮダイオード１３に択一的にラ
ンダムに入射する。増殖型ＰＩＮダイオード１２、１３
で生成された小電力の電気の塊は、各増殖型ＰＴＮダイ
オード１２、１３自体で１００倍に増殖された後、前置
増幅器３、２３と主増幅器４、２４とでさらに増幅さ
れ、検出が容易な数ボルトの電圧信号となる。主増幅器
４、２４からの電圧信号は波高弁別器５、２５でノイズ
と分離され、波形整形器６、２６で矩形のパルス信号と
なる。ＬＥＤ光源１１からの毎秒１０の７乗以上という
光子塊を検出して高速パルスを生成するためには、高速
でかつ信号の増倍が可能な増殖型ＰＩＮダイオード１
２、１３が必要となる。
る。受光からパルスの生成までは、第１と第２回路とも
原理が同じなので、これらをまとめて説明する。１個の
ＬＥＤ光源１１からの光子塊は、増殖型ＰＩＮダイオー
ド１２または増殖型ＰＩＮダイオード１３に択一的にラ
ンダムに入射する。増殖型ＰＩＮダイオード１２、１３
で生成された小電力の電気の塊は、各増殖型ＰＴＮダイ
オード１２、１３自体で１００倍に増殖された後、前置
増幅器３、２３と主増幅器４、２４とでさらに増幅さ
れ、検出が容易な数ボルトの電圧信号となる。主増幅器
４、２４からの電圧信号は波高弁別器５、２５でノイズ
と分離され、波形整形器６、２６で矩形のパルス信号と
なる。ＬＥＤ光源１１からの毎秒１０の７乗以上という
光子塊を検出して高速パルスを生成するためには、高速
でかつ信号の増倍が可能な増殖型ＰＩＮダイオード１
２、１３が必要となる。
【００１９】図２は発明者による実験結果を示すグラフ
であり、図１のＬＥＤ光源１１と同特性のＬＥＤ光源か
ら放射される光子１個（単光子）を高感度の光電子増倍
管でもって検出した場合の波高分布を示す。図１の第１
回路で増殖型ＰＩＮダイオード１２、１３を光電子増倍
管に置き換えて、波形整形器６の出力を波高分析装置５
０で計測した結果である。図２のグラフでは１４０チャ
ンネル当たりにピークがあり、ガウス分布となってお
り、ＬＥＤ光源からの単光子が乱数的に放射される単光
子の集まりであることが分かる。
であり、図１のＬＥＤ光源１１と同特性のＬＥＤ光源か
ら放射される光子１個（単光子）を高感度の光電子増倍
管でもって検出した場合の波高分布を示す。図１の第１
回路で増殖型ＰＩＮダイオード１２、１３を光電子増倍
管に置き換えて、波形整形器６の出力を波高分析装置５
０で計測した結果である。図２のグラフでは１４０チャ
ンネル当たりにピークがあり、ガウス分布となってお
り、ＬＥＤ光源からの単光子が乱数的に放射される単光
子の集まりであることが分かる。
【００２０】図３は、ＬＥＤ光源から放出された単光子
の放出時間の間隔分布が指数分布であること示す実験結
果である。波高弁別器路５の出力を基本クロック生成回
路からの高速クロックに従って時間間隔を変化してパル
スの到来数を時間カウンタ５１で計測した結果である。
時間間隔分布が指数分布であることは、ＬＥＤの単光子
の放射がランダムな現象であることを表している。単光
子がランダムな現象であれば、ランダムな単光子を集め
た光子塊もまたランダムな現象となることが当然予想さ
れる。
の放出時間の間隔分布が指数分布であること示す実験結
果である。波高弁別器路５の出力を基本クロック生成回
路からの高速クロックに従って時間間隔を変化してパル
スの到来数を時間カウンタ５１で計測した結果である。
時間間隔分布が指数分布であることは、ＬＥＤの単光子
の放射がランダムな現象であることを表している。単光
子がランダムな現象であれば、ランダムな単光子を集め
た光子塊もまたランダムな現象となることが当然予想さ
れる。
【００２１】図４は、ＬＥＤ光源１１から放出される光
子の集団（光子塊）を増幅型ＰＩＮダイオード１２、１
３で検出したときの波高分布である。波形整形器６、２
６の出力を波高分析装置５０で計測した結果である。図
４のグラフでは２４０チャンネル当たりにピークがあ
り、ガウス分布となっており、ＬＥＤ光源１１からの光
子塊が乱数的に放射される光子塊の集まりであることが
分かる。同時にこの図４は、光子塊が一般的で安価なフ
ォトダイオードを用いて充分検出できることも示してい
る。
子の集団（光子塊）を増幅型ＰＩＮダイオード１２、１
３で検出したときの波高分布である。波形整形器６、２
６の出力を波高分析装置５０で計測した結果である。図
４のグラフでは２４０チャンネル当たりにピークがあ
り、ガウス分布となっており、ＬＥＤ光源１１からの光
子塊が乱数的に放射される光子塊の集まりであることが
分かる。同時にこの図４は、光子塊が一般的で安価なフ
ォトダイオードを用いて充分検出できることも示してい
る。
【００２２】図５は、ＬＥＤ光源１１から放出された光
子塊の放出時間の間隔分布が指数分布であること示す実
験結果である。波高弁別器路５、２５の出力を基本クロ
ック生成回路からの高速クロックに従って時間間隔を変
化してパルスの到来数を時間カウンタ５１で計測した結
果である。図５のグラフは、ＬＥＤからの光子塊の放射
時間間隔の分布が指数分布であることを示す実験結果で
ある。図３の単光子の場合と同じように、光子塊の放射
もまたランダムな現象であることを示している。即ち、
増幅型ＰＩＮダイオード１２、１３のフォトダイオード
で検出した光子塊が乱数生成に利用できことを示してい
る。
子塊の放出時間の間隔分布が指数分布であること示す実
験結果である。波高弁別器路５、２５の出力を基本クロ
ック生成回路からの高速クロックに従って時間間隔を変
化してパルスの到来数を時間カウンタ５１で計測した結
果である。図５のグラフは、ＬＥＤからの光子塊の放射
時間間隔の分布が指数分布であることを示す実験結果で
ある。図３の単光子の場合と同じように、光子塊の放射
もまたランダムな現象であることを示している。即ち、
増幅型ＰＩＮダイオード１２、１３のフォトダイオード
で検出した光子塊が乱数生成に利用できことを示してい
る。
【００２３】図６は、ＬＥＤ１１から単位時間（１分
間）に放射される光子塊の数の分布の実験結果であり、
実曲線はガウス分布である。波高弁別器路５、２５の出
力を基本クロック生成回路からの高速クロックに従って
時間間隔を単位時間（１分間）に固定してパルスの到来
数をカウンタ５２で計測した結果である。図６のグラフ
で放射される光子塊の数がガウス分布であることは、光
子塊の放射がランダムが現象であることを示している。
間）に放射される光子塊の数の分布の実験結果であり、
実曲線はガウス分布である。波高弁別器路５、２５の出
力を基本クロック生成回路からの高速クロックに従って
時間間隔を単位時間（１分間）に固定してパルスの到来
数をカウンタ５２で計測した結果である。図６のグラフ
で放射される光子塊の数がガウス分布であることは、光
子塊の放射がランダムが現象であることを示している。
【００２４】光源１１からのランダムな光子塊が一方の
ＰＩＮダイオード１２に入射した場合を０（第１の波形
整形器の出力パルス有りで第１レジスター２８にＯを設
定）、他方のＰＩＮダイオード１３に入射した場合を１
（第２の波形整形器の出力パルス有りで第２レジスター
２８にＯを設定）とし、１ビット乱数生成器７では、こ
の０と１でもって各１ビット乱数を生成する。
ＰＩＮダイオード１２に入射した場合を０（第１の波形
整形器の出力パルス有りで第１レジスター２８にＯを設
定）、他方のＰＩＮダイオード１３に入射した場合を１
（第２の波形整形器の出力パルス有りで第２レジスター
２８にＯを設定）とし、１ビット乱数生成器７では、こ
の０と１でもって各１ビット乱数を生成する。
【００２５】状態変更用のランダムパルス生成素子２の
光源１４からの光子塊がＰＩＮダイオード１５に入射し
た場合は、ランダムパルス生成素子１と同様に前置増幅
器３３３、主増幅器３４で増幅され、波高弁別器路３５
でノイズと分離され、波形整形器３６で矩形のパルス信
号となる。ランダムパルス生成素子２からの比較的に遅
いパルス信号が生成するたびに、アドレス変換器８は、
１ビット乱数生成器７のレジスター２８が対応するパル
ス有りでそのアドレスを１に、レジスター２９が対応す
るパルス有りでそのアドレスを０に切り替える。
光源１４からの光子塊がＰＩＮダイオード１５に入射し
た場合は、ランダムパルス生成素子１と同様に前置増幅
器３３３、主増幅器３４で増幅され、波高弁別器路３５
でノイズと分離され、波形整形器３６で矩形のパルス信
号となる。ランダムパルス生成素子２からの比較的に遅
いパルス信号が生成するたびに、アドレス変換器８は、
１ビット乱数生成器７のレジスター２８が対応するパル
ス有りでそのアドレスを１に、レジスター２９が対応す
るパルス有りでそのアドレスを０に切り替える。
【００２６】このＯドレスと１ドレスとを、頻繁に且ラ
ンダムに切り替えることで、第１回路と第２回路におけ
るＯと１が起こる頻度を一様にする。即ち第１回路の前
置増幅器３、主増幅器４、波高弁別器路５、波形整形器
６と、第２回路の前置増幅器２３、主増幅器２４、波高
弁別器路２５、波形整形器２６とが品質のばらつきや時
間経過による不均衡劣化により、動作性能に不均衡が生
じても、この不均衡を補償して乱数を担保する。この切
り替えのためのパルスは比較的に遅い１０００ｃｐｓ
（１ｍ秒）で良いので、より安価な普通のＰＴＮダイオ
ード１５を利用することができる。
ンダムに切り替えることで、第１回路と第２回路におけ
るＯと１が起こる頻度を一様にする。即ち第１回路の前
置増幅器３、主増幅器４、波高弁別器路５、波形整形器
６と、第２回路の前置増幅器２３、主増幅器２４、波高
弁別器路２５、波形整形器２６とが品質のばらつきや時
間経過による不均衡劣化により、動作性能に不均衡が生
じても、この不均衡を補償して乱数を担保する。この切
り替えのためのパルスは比較的に遅い１０００ｃｐｓ
（１ｍ秒）で良いので、より安価な普通のＰＴＮダイオ
ード１５を利用することができる。
【００２７】最後に図７に、１ビット乱数生成器７から
の１ビット乱数を４個並べた４ビット乱数の一様性を示
す。任意ビット乱数生成器９では順次受信したビット列
を、４ビットに区切って、乱数貯蔵器１０に格納した。
乱数貯蔵器１０から読み出した外部の計算機に転送し、
乱数の頻度を調べた結果である。生成乱数はほぼ完全な
一様性を示している。図７に見られるわずかな一様性の
ばらつきは、実験上での統計的変動以内である。
の１ビット乱数を４個並べた４ビット乱数の一様性を示
す。任意ビット乱数生成器９では順次受信したビット列
を、４ビットに区切って、乱数貯蔵器１０に格納した。
乱数貯蔵器１０から読み出した外部の計算機に転送し、
乱数の頻度を調べた結果である。生成乱数はほぼ完全な
一様性を示している。図７に見られるわずかな一様性の
ばらつきは、実験上での統計的変動以内である。
【００２８】光子塊の検出から１ビット乱数を生成する
までの時間は、コストを考慮して特別な回路部品や回路
構成を導入しない場合、１０ナノ秒程度である。従って
光源１１の光の強度は、毎秒１０Ｍ個から１００Ｍ個
（ｃｐｓ、カウント／ｓｅｃ）となるように調整する。
即ち１ビット乱数の生成速度は毎秒１０Ｍから１００Ｍ
ビットとなる。さらに高速度で乱数生成が必要な場合
は、図１のランダムパルス生成素子１等を複数個ならべ
る。例えば１００Ｍビットの１０系列のランダムパルス
生成素子１等であれば、１０倍の毎秒１Ｇビットとな
る。
までの時間は、コストを考慮して特別な回路部品や回路
構成を導入しない場合、１０ナノ秒程度である。従って
光源１１の光の強度は、毎秒１０Ｍ個から１００Ｍ個
（ｃｐｓ、カウント／ｓｅｃ）となるように調整する。
即ち１ビット乱数の生成速度は毎秒１０Ｍから１００Ｍ
ビットとなる。さらに高速度で乱数生成が必要な場合
は、図１のランダムパルス生成素子１等を複数個ならべ
る。例えば１００Ｍビットの１０系列のランダムパルス
生成素子１等であれば、１０倍の毎秒１Ｇビットとな
る。
【００２９】
【発明の効果】この発明によれば、安価で安全で安定し
た装置により、１秒間に１Ｇビット以上という超高速
で、完全に一様な真の乱数を生成させことができる。こ
の発明の超高速物理乱数生成装置を原子や分子の集団特
性による常温超伝導のシミュレーションや多変数関数に
従う世界株価の予想シミュレーションの乱数源に利用で
きる。
た装置により、１秒間に１Ｇビット以上という超高速
で、完全に一様な真の乱数を生成させことができる。こ
の発明の超高速物理乱数生成装置を原子や分子の集団特
性による常温超伝導のシミュレーションや多変数関数に
従う世界株価の予想シミュレーションの乱数源に利用で
きる。
【図１】本発明の超高速物理乱数生成装置の全体の構成
を示すブロック回路図である。
を示すブロック回路図である。
【図２】光電子倍増管による検出で光放射ダイオードか
らの単光子放射の波高分布の実験グラフである。
らの単光子放射の波高分布の実験グラフである。
【図３】光電子倍増管による検出で光放射ダイオードか
ら放射される単光子の観測時間を変化させた場合の到来
頻度の実験グラフである。
ら放射される単光子の観測時間を変化させた場合の到来
頻度の実験グラフである。
【図４】シリコンフォトダイオードによる検出で光放射
ダイオードからの光子塊放射の波高分布の実験グラフで
ある。
ダイオードからの光子塊放射の波高分布の実験グラフで
ある。
【図５】シリコンフォトダイオードによる検出で光放射
ダイオードからの光子塊の観測時間を変化させた場合の
到来頻度の実験グラフである。
ダイオードからの光子塊の観測時間を変化させた場合の
到来頻度の実験グラフである。
【図６】シリコンフォトダイオードによる検出で光放射
ダイオードから放射される単位時間当りの光子塊数の分
布がガウス分布になることを示す実験グラフである。
ダイオードから放射される単位時間当りの光子塊数の分
布がガウス分布になることを示す実験グラフである。
【図７】本発明の４列の高速物理乱数生成装置でもって
生成した４ビット乱数の一様性を示す実験グラフであ
る。
生成した４ビット乱数の一様性を示す実験グラフであ
る。
１、２ ランダムパルス生成素子 ３、２３、３３ 前置増幅器 ４、２４、３４ 主増幅器 ５、２５、３５ 波高弁別器 ６、２６、３６ 波形整形器 ７ １ビット乱数生成器 ８ アドレス変換器 ９ 任意ビット乱数生成器 １０ 乱数貯臓器 １１、１４ 光源（ＬＥＤ） １２、１３ 増殖型ＰＩＮダイオード検出器 １５ ＰＩＮダイオード ２８、２９ レジスター ５０ 波高分析装置 ５１ 時間カウンタ ５２ カウンタ
Claims (6)
- 【請求項１】 光放射ダイオードから、ランダムに、順
番に放射される光子の集団である各光子塊を、シリコン
フォトダイオードを用いて独立した各電気の塊として検
出し、この各電気の塊をパルス整形器でパルスに変換し
て出力することにより、１秒間に１０Ｍカウント以上と
いう速度のランダムなパルスを生成することを特徴とす
る超高速物理乱数生成装置。 - 【請求項２】 光放射ダイオードから、ランダムに、順
番に放射される光子の集団である各光子塊を、２個のシ
リコンフォトダイオードを用いて択一的に各電気の塊と
して検出し、この各電気の一方の塊を第１のパルス整形
器で一方のパルスに、他方の塊を第２のパルス整形器で
他方のパルスにそれぞれ変換して互いに独立に出力する
ことにより、１秒間に１０Ｍカウント以上というランダ
ムパルスを生成することを特徴とする超高速物理乱数生
成装置。 - 【請求項３】 前記２個のシリコンフォトダイオードの
うち、一方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊
を出力し、前記第１のパルス整形器で一方のパルスを出
力した場合に状態が０または１となる第１記憶素子と、
他方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊を出力
し、前記第２のパルス整形器で他方のパルスを出力した
場合に状態が１または０となる第２記憶素子とを設け
て、これら第１記憶素子と第２記憶素子とが保持する０
と１または１と０とを読み出すことにより各１ビットの
乱数を生成し、この各１ビットの乱数の羅列でもって、
物理乱数を生成することを特徴とする請求項２に記載の
超高速物理乱数生成装置。 - 【請求項４】 光放射ダイオードから、ランダムに、順
番に放射される光子の集団である各光子塊を、２個のシ
リコンフォトダイオードを用いて択一的に各電気の塊と
して検出し、この各電気の一方の塊を第１のパルス整形
器で一方のパルスに、他方の塊を第２のパルス整形器で
他方のパルスにそれぞれ変換して互いに独立に出力する
ことにより、前記２個のシリコンフォトダイオードのう
ち、一方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊を
出力し、前記第１のパルス整形器で一方のパルスを出力
した場合に状態が０または１となる第１記憶素子と、他
方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊を出力
し、前記第２のパルス整形器で他方のパルスを出力した
場合に状態が１または０となる第２記憶素子と、前記光
放射ダイオードとは別に、別の光放射ダイオードからラ
ンダムに、順番に放射される光子の集団である光子塊
を、別のシリコンフォトダイオードを用いて各電気の塊
として検出し、この電気の塊を生成するたびに、前記１
記憶素子は前記一方のパルスが出力された場合に前記０
または１の状態を１または０とし、かつ、前記第２記憶
素子は前記他方のパルスが出力された場合に前記１また
は０の状態が０または１へと切り替える切替装置とを設
けて、これら第１記憶素子と第２記憶素子とが保持する
０と１または１と０とを読み出すことにより各１ビット
の乱数を生成し、この各１ビットの乱数の羅列でもっ
て、物理乱数を生成することを特徴とする高速物理乱数
生成装置。 - 【請求項５】 光放射ダイオードから、ランダムに、順
番に放射される光子の集団である各光子塊を、２個のシ
リコンフォトダイオードを用いて択一的に各電気の塊と
して検出し、この各電気の一方の塊を第１のパルス整形
器で一方のパルスに、他方の塊を第２のパルス整形器で
他方のパルスにそれぞれ変換して互いに独立に出力する
ことにより、前記２個のシリコンフォトダイオードのう
ち、一方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊を
出力し、前記第１のパルス整形器で一方のパルスを出力
した場合に状態が０または１となる第１記憶素子と、他
方のシリコンフォトダイオードが前記電気の塊を出力
し、前記第２のパルス整形器で他方のパルスを出力した
場合に状態が１または０となる第２記憶素子と、前記光
放射ダイオードとは別に、別の光放射ダイオードからラ
ンダムに、順番に放射される光子の集団である光子塊
を、別のシリコンフォトダイオードを用いて各電気の塊
として検出し、この電気の塊を生成するたびに、前記１
記憶素子は前記一方のパルスが出力された場合に前記０
または１の状態を１または０とし、かつ前記第２記憶素
子は前記他方のパルスが出力された場合に前記１または
０の状態が０または１へと切り替える切替装置とを設け
て、これら第１記憶素子と第２記憶素子とが保持する０
と１または１と０とを読み出すことにより各１ビットの
乱数を生成し、この各１ビットの乱数の羅列でもって、
物理乱数を生成する高速物理乱数生成装置を、多数基並
べることにより１秒間に１Ｇビット以上という一様な物
理乱数を生成することを特徴とする超高速物理乱数生成
装置。 - 【請求項６】 前記シリコンフォトダイオードが増殖型
ＰＩＮダイオードとすることを特徴とする請求項１に記
載の超高速物理乱数生成装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11122812A JP2000276329A (ja) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | 超高速物理乱数生成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11122812A JP2000276329A (ja) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | 超高速物理乱数生成装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000276329A true JP2000276329A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=14845258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11122812A Pending JP2000276329A (ja) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | 超高速物理乱数生成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000276329A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002037260A1 (fr) * | 2000-10-24 | 2002-05-10 | Hmi Co., Ltd. | Generateur de nombres aleatoires |
| WO2002091167A1 (fr) * | 2001-04-24 | 2002-11-14 | Sangikyo Corporation | Generateur de nombres aleatoires |
| WO2004017191A1 (ja) * | 2002-08-14 | 2004-02-26 | Institute For Advanced Studies Co., Ltd. | 乱数生成装置及び乱数生成方法 |
| WO2005114386A1 (ja) * | 2004-05-24 | 2005-12-01 | Leisure Electronics Technology Co., Ltd. | 乱数取出し方法及びこれを用いた乱数生成装置 |
| JP2008537622A (ja) * | 2005-03-21 | 2008-09-18 | ダウ コーニング コーポレイシヨン | 散乱導波管を使用した乱数の発生技術 |
| JP2011034397A (ja) * | 2009-08-03 | 2011-02-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 乱数を発生させる装置および方法 |
-
1999
- 1999-03-26 JP JP11122812A patent/JP2000276329A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002037260A1 (fr) * | 2000-10-24 | 2002-05-10 | Hmi Co., Ltd. | Generateur de nombres aleatoires |
| US7124157B2 (en) | 2000-10-24 | 2006-10-17 | Hmi Co., Ltd. | Random number generator |
| WO2002091167A1 (fr) * | 2001-04-24 | 2002-11-14 | Sangikyo Corporation | Generateur de nombres aleatoires |
| US7349935B2 (en) | 2001-04-24 | 2008-03-25 | Sangikyo Corporation | Random number generation apparatus |
| WO2004017191A1 (ja) * | 2002-08-14 | 2004-02-26 | Institute For Advanced Studies Co., Ltd. | 乱数生成装置及び乱数生成方法 |
| US8234322B2 (en) | 2002-08-14 | 2012-07-31 | Leisure Electronics Technology Co., Ltd. | Apparatus and method for generating random numbers |
| WO2005114386A1 (ja) * | 2004-05-24 | 2005-12-01 | Leisure Electronics Technology Co., Ltd. | 乱数取出し方法及びこれを用いた乱数生成装置 |
| US8037117B2 (en) | 2004-05-24 | 2011-10-11 | Leisure Electronics Technology Co., Ltd. | Random number derivation method and random number generator using same |
| JP2008537622A (ja) * | 2005-03-21 | 2008-09-18 | ダウ コーニング コーポレイシヨン | 散乱導波管を使用した乱数の発生技術 |
| JP2011034397A (ja) * | 2009-08-03 | 2011-02-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 乱数を発生させる装置および方法 |
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