JP2019021137A - Random number signal generator and random number signal generation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、暗号通信の共通鍵などに利用される乱数列を発生する、乱数信号発生器及び乱数信号発生方法に関する。 The present invention relates to a random number signal generator and a random number signal generation method for generating a random number sequence used for a common key of cryptographic communication.
乱数列は、暗号通信における秘密鍵や確率的モデルのシミュレーション、通信用システム・デバイスの性能評価など、様々な産業分野、科学技術分野で利用されている。乱数列は、数学的論理回路等を用いて数理的に発生することもできるが、自然現象を利用して物理的に発生する、物理(自然)乱数列が最も望ましい。 Random number sequences are used in various industrial fields and science and technology fields such as simulation of secret keys and probabilistic models in cryptographic communication, and performance evaluation of communication systems and devices. Although the random number sequence can be generated mathematically using a mathematical logic circuit or the like, a physical (natural) random number sequence that is physically generated using a natural phenomenon is most desirable.
自然乱数列を発生する乱数信号発生器としては、ツェナーダイオードを利用したものがある(例えば、非特許文献1参照)。 As a random number signal generator for generating a natural random number sequence, there is one using a Zener diode (for example, see Non-Patent Document 1).
一方、近年では、光子の量子力学的重ね合わせを利用した乱数信号発生器が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。 On the other hand, recently, a random number signal generator using quantum mechanical superposition of photons has been reported (for example, see Non-Patent Document 2).
非特許文献2に開示の乱数信号発生器では、例えば、単一光子レベルにまで強度減衰した光をビームスプリッタに入力し、ビームスプリッタの2つの出カポートのそれぞれに設けた単一光子検出器のうち一方で光を検出した場合をビット「1」、他方で光を検出した場合をビット「0」とすることで自然乱数に非常に近い乱数列を発生することができる。 In the random number signal generator disclosed in Non-Patent Document 2, for example, light attenuated to a single photon level is input to a beam splitter, and a single photon detector provided at each of two output ports of the beam splitter is used. A random number sequence very close to a natural random number can be generated by setting bit “1” when light is detected on one side and bit “0” when light is detected on the other side.
非特許文献2に開示されている、光子の量子力学的重ね合わせを利用した乱数信号発生器は、自然乱数に近い理想的な乱数列を発生することが期待され、近年、様々な乱数信号発生方法が提案・実証されている。 The random number signal generator using the photon quantum mechanical superposition disclosed in Non-Patent Document 2 is expected to generate an ideal random number sequence close to a natural random number. A method has been proposed and demonstrated.
さて、一般に、乱数列で所望されるマーク率(全ビット列における「1」の占める割合)は1/2である。しかし、通信用超高速ロジック回路の試験などでは、マーク率1/4、1/8などの乱数列が求められる。 In general, the desired mark ratio in a random number sequence (ratio of “1” in all bit sequences) is ½. However, a random number sequence such as a mark ratio of 1/4 or 1/8 is required in a test of a communication ultrahigh-speed logic circuit.
このような、1/2以外のマーク率を有する乱数列は、例えばシフトレジスタと排他的論理和で構成される論理回路において、マーク率1/2の2系統の乱数列を処理することによって生成されている(例えば、特許文献1参照)。 Such a random number sequence having a mark rate other than 1/2 is generated by processing two types of random number sequences having a mark rate of 1/2 in a logic circuit composed of, for example, a shift register and an exclusive OR. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、上述の特許文献1に開示されている乱数発生器では、乱数列が数理的乱数であり自然乱数ではない。また、実現できるマーク率も1/4、1/8等のほぼ固定されたものとなる。
However, in the random number generator disclosed in
また、上述の非特許文献2に開示されている乱数発生器は、複数の光子検出器を用いるなど、装置構成の小型化が容易ではない。また、実現できるマーク率は1/2であり、上述の特許文献1と組み合わせたとしても、実現できるマーク率は1/4、1/8等のほぼ固定されたものとなる。
Further, the random number generator disclosed in Non-Patent Document 2 described above uses a plurality of photon detectors, and thus it is not easy to reduce the size of the apparatus configuration. Moreover, the mark rate that can be realized is ½, and even if it is combined with the above-described
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、簡易な装置構成で自然乱数列を発生し、かつ、マーク率を容易に可変にできる、乱数信号発生器及び乱数信号発生方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to generate a random number sequence with a simple device configuration and easily change the mark rate. And providing a random number signal generation method.
上述した目的を達成するために、この発明の、N(Nは1以上の整数)ビットの乱数列を生成する乱数信号発生器は、単一光子光源と、単一光子検出器と、乱数生成部とを備えて構成される。 In order to achieve the above object, a random number signal generator for generating a random number sequence of N (N is an integer of 1 or more) bits according to the present invention includes a single photon light source, a single photon detector, and a random number generator. And configured.
単一光子光源は、単位時間スロットΔTにおける平均出力光子数が1未満の光子を出力する。単一光子検出器は、単一光子光源が出力する光子を検出する。乱数生成部は、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔT(Mは0以上N−1以下の整数)を満足する時刻TMにおいて、単一光子検出器が光子を検出したとき、乱数列の第M番目の値を「1」とし、単一光子検出器が光子を検出しないとき、乱数列の第M番目の値を「0」とする乱数を生成する。 The single photon light source outputs photons having an average output photon number of less than 1 in a unit time slot ΔT. The single photon detector detects photons output from the single photon light source. When the single photon detector detects a photon at time T M that satisfies M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT (M is an integer of 0 to N−1), the random number generator When the Mth value of the sequence is “1” and the single photon detector does not detect a photon, a random number is generated with the Mth value of the random number sequence being “0”.
また、この発明の、Nビットの乱数列を生成する乱数信号発生方法は、以下の過程を備えて構成される。 The random number signal generation method for generating an N-bit random number sequence according to the present invention comprises the following steps.
単一光子生成過程において、単一光子光源が、単位時間スロットΔTにおける平均出力光子数が1未満の光子を生成する。次に、光子検出過程において、光子を検出する。 In the single photon generation process, the single photon light source generates photons having an average output photon number of less than 1 in a unit time slot ΔT. Next, photons are detected in the photon detection process.
乱数列生成過程において、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔTを満足する時刻TMにおいて、単一光子検出器が光子を検出したとき、乱数列の第M番目の値を「1」とし、単一光子検出器が光子を検出しないとき、乱数列の第M番目の値を「0」とする乱数列を生成する。 In the random number sequence generation process, when the single photon detector detects a photon at time T M satisfying M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT, the Mth value of the random number sequence is set to “1”. When the single photon detector does not detect a photon, a random number sequence with the Mth value of the random number sequence set to “0” is generated.
この発明の乱数信号発生器及び乱数信号発生方法によれば、単一光子光源が生成した光子を単一光子検出器が検出した時刻に基づいて乱数を生成する。このため、複数の単一光子検出器を用いることなく、1つの単一光子検出器で乱数信号発生器を構成できるなど、簡易な装置構成が実現できる。また、単一光子光源が備える可変減衰器の減衰量や、単位時間スロットを変更すれば、マーク率を所望の値に、容易に変更することができる。 According to the random number signal generator and the random number signal generation method of the present invention, the random number is generated based on the time when the single photon detector detects the photon generated by the single photon light source. Therefore, a simple device configuration can be realized, for example, a random number signal generator can be configured with one single photon detector without using a plurality of single photon detectors. Further, the mark rate can be easily changed to a desired value by changing the attenuation of the variable attenuator provided in the single photon light source or the unit time slot.
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described, but it is merely a preferred example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.
(構成)
図1を参照して、この発明の乱数信号発生器について説明する。図1は、この発明の乱数信号発生器の構成例を示す模式図である。図2は、この発明の乱数信号発生器の動作を説明するための模式図である。図2(A)〜(C)は、それぞれ単一光子を検出する様子を示している。
(Constitution)
A random signal generator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a random number signal generator according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the random number signal generator of the present invention. FIGS. 2A to 2C each show a state where a single photon is detected.
乱数信号発生器は、Nビットの乱数列を生成する。乱数信号発生器は、単一光子光源10と、単一光子検出器20と、乱数生成部30とを備えて構成される。
The random number signal generator generates an N-bit random number sequence. The random number signal generator includes a single
単一光子光源10は、例えば、連続光源12と、可変光減衰器14とを備えて構成される。連続光源12は、レーザ光源などで構成され、連続光を生成する。可変光減衰器14は、連続光源12が生成した連続光を所望の減衰量で減衰する。連続光は、いわゆる単一光子レベルの光強度まで減衰され、微弱な連続光となる。このように、単一光子光源10は、ある単位時間スロットΔTにおける平均出力光子数が1未満である、単一光子を生成する。
The single
単一光子検出器20は、例えば、アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)で構成される。単一光子検出器20は、単一光子光源10が生成した光子を検出し、光子の検出に応答した電気信号を乱数生成部30に送る。
The
乱数生成部30は、例えば、A/D変換部(図示を省略する。)と、ディジタル信号処理回路で構成される。単一光子検出器20の出力がアナログ信号の場合は、A/D変換部でディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理回路に送られる。なお、光子の検出の有無を判定する用途であれば、A/D変換部は、アナログ信号の強度が一定の閾値を超えた場合に「1」を出力し、それ以外の場合は「0」を出力する機能を有していれば良い。
The random
ディジタル信号処理回路は、検出時刻列記録部32と、判定部34とを備えて構成される。
The digital signal processing circuit includes a detection time
検出時刻列記録部32は、時間Tの間に、単一光子検出器20が光子を検出した時刻を時刻列{ti}として、例えば、ディジタル信号処理回路が備えるRAM(Random Accesss Memory)などの記憶部36に記録する。
The detection time
判定部34は、時刻列を記憶部36から読み出して、M×ΔT≦ti<(M+1)×ΔTを満足する時刻tiがあれば、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔTを満足する時刻TMにおいて、単一光子検出器20が光子を検出したと判定し、乱数列の第M番目の値を「1」とする。一方、判定部34は、M×ΔT≦ti<(M+1)×ΔTを満足する時刻tiがなければ、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔTを満足する時刻TMにおいて、単一光子検出器20が光子を検出しなかったと判定し、乱数列の第M番目の値を「0」とする。この判定を、Mを0からN−1までそれぞれ行えば、Nビットの乱数列が生成される(図2(A)参照)。
The
ここで、単一光子検出器20に入力される、単一光子レベルの微弱な連続光の単位時間当たりの平均光子数をμとすると、単位時間スロットに含まれる光子数の平均値は、μΔTとなる。今、時間ΔTごとに区切った1/(μΔT)個の時間スロットを用意したとき、入力光は連続光であるので、各時間スロットにおける光子の検出確率はμΔTで一定である。この結果、光子は、平均して、1/(μΔT)個の時間スロットのいずれか一箇所に含まれることになる。
Here, when the average number of photons per unit time of weak continuous light having a single photon level input to the
このとき、光子が、1/(μΔT)個の時間スロットの何番目の時間スロットに含まれているかはわからない。すなわち、光子がk番目の時間スロットに含まれている状態を|k>として、以下の式(1)で表される重ね合わせの状態になる。 At this time, it is not known in which time slot of the 1 / (μΔT) time slots the photon is included. In other words, assuming that a state in which a photon is included in the kth time slot is | k>, a superposition state represented by the following expression (1) is obtained.
これは、光子がどの時間スロットに含まれているかという情報が自然乱数になっていることを示している。すなわち、単一光子検出器20で光子を検出した検出時刻は自然乱数となっている。
This indicates that the information indicating which time slot contains the photon is a natural random number. That is, the detection time when the photon is detected by the
ここで、可変光減衰器14の減衰量を変更することにより、平均光子数μの値が変化する。上述したように、光子は、平均して、1/(μΔT)個の時間スロットのいずれか一箇所に含まれる。このため、μの値が小さくなると、1/(μΔT)の値が大きくなり、その結果、M×ΔT≦ti<(M+1)×ΔTを満足する時刻tiが存在する確率が小さくなる。すなわち、マーク率が小さくなる(図2(B)参照)。逆にμの値が大きくなると、マーク率が大きくなる。
Here, by changing the attenuation amount of the variable
このように、可変光減衰器14の減衰量の変更により、容易に所望のマーク率に変更することができる。
In this manner, the desired mark rate can be easily changed by changing the attenuation amount of the variable
同様に、時間スロットの幅の変更により、マーク率の変更を行ってもよい。時間スロット幅を小さくすれば、1/(μΔT)の値が大きくなり、その結果、M×ΔT≦ti<(M+1)×ΔTを満足する時刻tiが存在する確率が小さくなる。すなわち、マーク率が小さくなる(図2(C)参照)。逆にΔTの値が大きくなると、マーク率が大きくなる。 Similarly, the mark rate may be changed by changing the width of the time slot. If the time slot width is reduced, the value of 1 / (μΔT) increases, and as a result, the probability that a time t i that satisfies M × ΔT ≦ t i <(M + 1) × ΔT exists is reduced. That is, the mark rate is reduced (see FIG. 2C). Conversely, as the value of ΔT increases, the mark rate increases.
この発明の乱数信号発生器及び乱数信号発生方法によれば、単一光子光源が生成した光子を単一光子検出器が検出した時刻に基づいて乱数を生成する。このため、複数の単一光子検出器を用いることなく、1つの単一光子検出器で乱数信号発生器を構成できるなど、簡易な装置構成が実現できる。また、単一光子光源が備える可変光減衰器の減衰量や、単位時間スロットを変更すれば、マーク率を所望の値に、容易に変更することができる。 According to the random number signal generator and the random number signal generation method of the present invention, the random number is generated based on the time when the single photon detector detects the photon generated by the single photon light source. Therefore, a simple device configuration can be realized, for example, a random number signal generator can be configured with one single photon detector without using a plurality of single photon detectors. Further, the mark rate can be easily changed to a desired value by changing the attenuation amount of the variable optical attenuator provided in the single photon light source or the unit time slot.
10 単一光子光源
12 連続光源
14 可変光減衰器
20 単一光子検出器
30 乱数生成部
32 検出時刻列記録部
34 判定部
36 記憶部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
単位時間スロットΔTにおける平均出力光子数が1未満の単一光子光源と、
前記単一光子光源が出力する光子を検出する単一光子検出器と、
M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔT(Mは0以上N−1以下の整数)を満足する時刻TMにおいて、前記単一光子検出器が光子を検出したとき、前記乱数列の第M番目の値を「1」とし、前記単一光子検出器が光子を検出しないとき、前記乱数列の第M番目の値を「0」とする乱数を生成する乱数生成部と
を備えることを特徴とする乱数信号発生器。 A random number signal generator for generating a random number sequence of N (N is an integer of 1 or more) bits,
A single photon light source having an average output photon number of less than 1 in a unit time slot ΔT;
A single photon detector for detecting photons output by the single photon light source;
When the single photon detector detects a photon at a time T M that satisfies M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT (M is an integer of 0 to N−1), A random number generation unit that generates a random number that sets the Mth value of the random number sequence to “0” when the Mth value is “1” and the single photon detector does not detect a photon. Random number signal generator characterized.
前記単一光子検出器が光子を検出した時刻を光子検出時刻列として記録する検出時刻列記録部と、
前記光子検出時刻列を読み出して、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔT(Mは0以上N−1以下の整数)を満足する時刻TMの有無を判定する判定部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の乱数信号発生器。 The random number generator
A detection time sequence recording unit that records a time when the single photon detector detects a photon as a photon detection time sequence; and
A determination unit that reads out the photon detection time sequence and determines whether or not there is a time T M that satisfies M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT (M is an integer of 0 or more and N−1 or less). The random number signal generator according to claim 1.
連続光を生成する連続光源と、
前記連続光を単一光子レベルに減衰する可変光減衰器と
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の乱数信号発生器。 The single photon light source is
A continuous light source that generates continuous light;
The random signal generator according to claim 1, further comprising a variable optical attenuator that attenuates the continuous light to a single photon level.
ことを特徴とする請求項3に記載の乱数信号発生器。 4. The random number signal generator according to claim 3, wherein a mark rate which is a ratio of “1” in the random number sequence can be changed by changing an attenuation amount of the variable optical attenuator. 5.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の乱数信号発生器。 5. The random number signal generator according to claim 1, wherein a mark rate that is a ratio of “1” in the random number sequence can be changed by changing the unit time slot ΔT. 6.
単一光子光源が、単位時間スロットΔTにおける平均出力光子数が1未満の光子を生成する単一光子生成過程と、
単一光子検出器が、前記光子を検出する光子検出過程と、
M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔT(Mは0以上N−1以下の整数)を満足する時刻TMにおいて、前記単一光子検出器が光子を検出したとき、前記乱数列の第M番目の値を「1」とし、前記単一光子検出器が光子を検出しないとき、前記乱数列の第M番目の値を「0」とする乱数を生成する乱数列生成過程と
を備えることを特徴とする乱数信号発生方法。 A random number signal generation method for generating a random number sequence of N (N is an integer of 1 or more) bits,
A single-photon light source generation process in which a single-photon light source generates photons having an average output photon number of less than 1 in a unit time slot ΔT;
A photon detection process in which a single photon detector detects the photons;
When the single photon detector detects a photon at a time T M that satisfies M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT (M is an integer of 0 to N−1), A random number sequence generating step of generating a random number with an Mth value of “1” and when the single photon detector does not detect a photon, an Mth value of the random number sequence is set to “0”. A random number signal generation method characterized by the above.
前記単一光子検出器が光子を検出した時刻を光子検出時刻列として記録する検出時刻列記録過程と、
前記光子検出時刻列を読み出して、M×ΔT≦TM<(M+1)×ΔT(Mは0以上N−1以下の整数)を満足する時刻TMの有無を判定する判定過程と
を備えることを特徴とする請求項6に記載の乱数信号発生方法。 The random number sequence generation process includes:
A detection time sequence recording process for recording a time when the single photon detector detects a photon as a photon detection time sequence;
A determination step of reading the photon detection time sequence and determining whether or not there is a time T M that satisfies M × ΔT ≦ T M <(M + 1) × ΔT (M is an integer of 0 to N−1). The random number signal generation method according to claim 6.
連続光を生成する連続光源と、
前記連続光を単一光子レベルに減衰する可変光減衰器と
を備え、
前記可変光減衰器における減衰量を変更することにより、前記乱数列における「1」の占める割合であるマーク率を変更できる
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の乱数信号発生方法。 The single photon light source is
A continuous light source that generates continuous light;
A variable optical attenuator that attenuates the continuous light to a single photon level;
8. The random number signal generation method according to claim 6, wherein a mark rate which is a ratio of “1” in the random number sequence can be changed by changing an attenuation amount in the variable optical attenuator. 9.
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の乱数信号発生方法。 9. The random number signal generation method according to claim 6, wherein a mark rate that is a ratio of “1” in the random number sequence can be changed by changing the unit time slot ΔT. 10.
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