JP3612564B2 - 乱数発生器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機シュミレーション分野、暗号化を必要とする通信・情報処理分野、データ消去を必要とするコンピュータ関連分野、等で必要とする乱数発生器に関し、特に単一光子経路選択と光子検出による乱数発生器に関する。
【0002】
【従来技術】
図3は従来の2進の乱数発生器の構成図である。
従来の技術を示す国際公開第98/16008号パンフレットは、図3に示すように、λ/2プレート(半波長板)を介して入力された光子は、偏光ビームスプリッタを介していずれかの検出器で検出されるように構成されている。この例は2進の乱数発生器として開示されている。単一光子経路選択と光子検出による乱数発生が2進の乱数発生に限定されていた。従って、この例は、光子1個につき1ビットの乱数しか発生できなかった。また、単一光子検出器も2台必要であった。
【0003】
従来の技術を示す国際公開第99/66641号のパンフレットでは二光子干渉を利用するものであり、単一光子経路選択を利用する。本発明とは原理的に異なる。この場合も、乱数発生が2進の乱数発生に限定されていた。
従来の技術を示す国際公開第98/58309号のパンフレット、国際公開第2000/55706号のパンフレットは、光子統計を乱数生成に利用するものであるが、単一光子経路選択を利用する本発明とは原理的に異なる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、単一光子経路選択と光子検出による乱数発生が2進の例であり、4進以上の乱数発生のためには例えば前記図3の装置が多数必要となり、全体の構成が大がかりなものとなって実用的でなかった。
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、単一光子経路選択と光子検出による4進、8進等の2のn乗進(n=2、3、・・・・)の乱数発生を簡単、容易に行うことができる乱数発生器を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の解決手段を採用する。
(1)乱数発生器において、nを2以上の自然数としたとき、
2本の偏波保存光ファイバを偏波保存光ファイバカップラによりn組直列に連結して2のn乗の光路長がすべての経路で異なるように設定し、その光路の終端に単一光子検出器とその出力に基づき時間を測定する計時手段を設けること。
(2)上記(1)記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバカップラを、偏波面を保持した状態で分岐比を任意に設定した光子分配器とすること。
(3)上記(2)記載の乱数発生器において、上記分岐比を50/50としたこと。
【0006】
(4)上記(1)または(2)記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバおよび上記偏波保存光ファイバカップラは光路長が経路毎に同じ値をとらないように構成されていること。
(5)乱数発生器において、nを2以上の自然数とするとき、2本の偏波保存光ファイバを並置した1段のユニットを乱数発生のための2のn乗進数に応じてn段数直列に配置して光路長をすべての経路で異なるように設定し、最終段を除いて各段の前記2本の偏波保存光ファイバ毎にその端部を分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラで連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けたこと。
(6)上記(5)記載の乱数発生器において、光子入射経路上にシャッターを設け、前記計時手段でシャッターの開閉時間から光子入射時間を計測すること。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な実施の形態について以下詳細に説明する。
本発明の乱数発生器は、2本の偏波保存光ファイバを並置した1段のユニットを乱数発生の進数に応じて必要段数直列に配置し、最終段を除いて各段の前記2本の偏波保存光ファイバ毎にその端部に分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラを連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けて構成する。
単一光子が通過する経路を構成する偏波保存光ファイバは、発生させる乱数の進数に応じて、例えば、4進乱数発生なら4本(2本×2ユニット)、8進乱数発生なら6本(2本×3ユニット)必要とする。
【0008】
初段の偏波保存光ファイバの入力端から最終段の偏波保存光ファイバの出力端までの光路長は経路毎にすべて異なるように設定する
経路をランダムに選択した単一光子はその経路の光路長に応じた時間後に単一光子検出器によって検出される。
単一光子検出器の検出出力は計時手段、例えば時計、に入力され、計時手段によって前記経路に入ってから出るまでの時間を計測する。
この時間は演算手段によって乱数に変換される。
経路選択には、偏波保持光ファイバカップラと偏波保持光ファイバを組み合わせて構成する。単一光子検出器にはアバランシェフオトダイオード又は光電子増倍管を使用する。光子到着時間測定に時計等の計時手段を使用する。
【0009】
(第1実施例)
図1は本発明の4進の乱数発生器の構成図である。
図1に単一光子の経路選択と光子検出による4進の乱数発生器を示す。
乱数発生器の構成は、光子の経路順に、光子の通路を開閉するシャッター14,偏波保持光ファイバ15、偏波保持光ファイバカップラ1、偏波保持光ファイバ2および3、偏波保持光ファイバカップラ4、偏波保持光ファイバ5および6、偏光ビームスプリッタ7,単一光子検出器8、計時手段9、演算手段13からなる。
偏波保持光ファイバ3および6は、光路長を変えるために複数回巻回したループ(迂回路)を有する。
【0010】
前記偏波保持光ファイバ15から偏向ビームスプリッタ7までの光路は一体に形成される。
単一光子検出器8は偏向ビームスプリッタ7を介して到着光子を検出し、計時手段9は単一光子検出器8の出力による到着時間を検出する。
演算手段13は、計時手段からの時間情報に基づき単一光子が前記光路を通り抜ける所要時間を求め、その所要時間に応じて経路を決定し、経路に応じて乱数を発生する。
【0011】
(動作)
シャッター14を開けて単一光子を偏波保存光ファイバ15に入射する。偏波保存光ファイバ15を通過した光子は、次に、偏波保存光ファイバカップラ1を通過する際、偏波保存光ファイバ2または3のいずれかの経路を選択する。このときの経路選択は、偏波保存光ファイバカップラの分岐比の選択によって偏るが、例えば、偏波面を保持した状態で分岐比を50/50に設定すると、毎回1/2の確率で経路選択される。この例では、偏波面を保持した状態で分岐比を50/50に設定した例で説明する。
偏波保存光ファイバカップラ1で偏波保存光ファイバ2又は3を確率1/2で経路選択する。同様に、単一光子は分岐比が50/50に設定されている偏波保存光ファイバカップラ4で偏波保存光ファイバ5又は6を確率1/2で経路選択する。
【0012】
偏波保存光ファイバ2、3、5、6の長さをL2、L3、L5、L6とすれば、単一光子が選択する経路はL2+L5、L2+L6、L3+L5、L3+L6の4種類となるが、選択確率は偏波保存光ファイバカップラ1と4の分岐比が50/50であるから、それぞれ、相等しく1/4となる。このとき、
L2+L5<L2+L6<L3+L5<L3+L6 (1)
となるように各偏波保存光ファイバ長さを調整すれば、4経路で光路長が異なるために光子の単一光子検出器8到達時間も異なることになる。計時手段9でシャッター開閉時間から光子入射時間を測定し、単一光子検出器8と前記計時手段9で光子の到着時間を測定し、演算手段13によって光子の入射時間と到着時間の差を求め、経路と所用時間との対応関係から、単一光子がどの経路を通過してきたかを判別し、その経路に応じて乱数を発生する。
【0013】
この実施例の場合、経路選択確率は1/4なので4進の一様な乱数(各乱数値の発生確率が等しい)が発生することになる。但し、謝って同時に2つの経路が選択された場合、例えば所定時間内に2出力を検出した場合、この出力は削除する。
尚、偏波保存光ファイバ5、6の出射口では単一光子の偏波を調整して偏向ビームスプリッタ7を透過・反射した単一光子が全部単一光子検出器8に入射するようにする。
上記第1実施例では、全ての光ファイバカップラと光ファイバを偏波保持光ファイバと偏波保持光ファイバカップラとしたが、偏波保持でない光ファイバカップラと光ファイバでも偏波制御器を使用することによって同様の4進乱数発生を行うことができる。
【0014】
不等式(1)が成り立つためには、例えば、L2=1m、L3=21m、L5=1m、L6=11mとすればよい。また、偏波保持ファイバカップラの分岐比を50/50から変更することによって、一様でない乱数(各乱数値の発生確率が異なる)も発生できる。
8進や16進等の乱数発生も光ファイバカップラと光ファイバを追加することによって達成できる。
(第2実施例)
図2は本発明の8進の乱数発生器の構成図である。
図2に、8進の乱数発生器を示すが、偏波保存光ファイバカップラ10と偏波保存光ファイバ11、12が追加されている。それ以外の構成は図1で示したとおりである。
【0015】
(動作)
前記第1実施例と比べ、偏波保存光ファイバカップラ10と偏波保存光ファイバ11、12が追加された分だけ経路の組み合わせが多くなる。
そこで、偏波保存光ファイバ2、3、5、6の長さを図1と同じようにL2、L3、L5、L6として、新たに加えた偏波保存光ファイバ11、12の長さをLll、L12とすれば、単一光子が選択する経路はL2+L5+Lll、L2+L6+Lll、L3+L5+Lll、L3+L6+Lll、L2+L5+L12、L2+L6+L12、L3+L5+L12、L3+L6+L12の8種類となる。例えば、L2=1m、L3=21m、L5=1m、L6=11m、Lll=1m、L12=5m とすればよい。このとき、L2+L5+Lll=3m、L2+L6+Lll=13m、L3+L5+Lll=23m、L3+L6+Lll=33m、L2+L5+L12=7m、L2+L6+L12=17m、L3+L5+L12=27m、L3+L6+L12=37mとなるので
L2+L5+Lll<L2+L5+L12<L2+L6+Lll<L2+L6+L12<L3+L5+Lll<L3+L5+L12<L3+L6+Lll<L3+L6+L12 (2)
となり、8経路で光路長が異なるために光子の検出器到達時間も異なることになる。
【0016】
このとき、前記第1実施例と同様に、計時手段9でシャッター開閉時間から光子入射時間を測定し、単一光子検出器8と前記計時手段9で光子の到着時間を測定し、演算手段13によって光子検出器11で検出した光子の入射時間と前記到着時間の差を求め、経路と所用時間との対応関係から、単一光子がどの経路を通過してきたかを判別し、その経路に応じて乱数を発生する。
この実施例の場合、経路選択確率は1/8なので8進の一様な乱数(各乱数値の発生確率が等しい)が発生することになる。但し、謝って同時に2つの経路が選択された場合、例えば所定時間内に2出力を検出した場合、この出力は削除する。
本発明は、単一光子経路選択と光子検出による4進、8進等の乱数発生を可能にする接術であり、発生効率を4進の場合、光子1個につき2ビット、8進の場合、3ビットに改善することができる。
【0017】
(他の実施の態様)
偏波保存光ファイバカップラと偏波保存光ファイバを必要数組み合わせることにより任意の進数の乱数発生器を構成することができる。例えば、16進、32進乱数発生への変更も容易である。
【0018】
【発明の効果】
本発明は、4進、8進等の任意進数の乱数を簡単な構成により容易に発生させることができる。特に、16進、32進乱数発生への変更も用意に行える。
また、本発明は、分岐比を適宜設定することにより、個々の乱数の出現確率を任意に設定することができる。特に、分岐比を50/50に設定することにより、すべて等しい乱数、即ち、一様な乱数を発生することができる。
また、偏波保持光ファイバカップラの分岐比を調節することで、個々の乱数の出現確率が異なる乱数、即ち、一様でない乱数も発生することができる。
経路を複数本用意するときに、経路配置を工夫して、乱数発生システムが容易に構成できるようにした。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の4進の乱数発生器の構成図である。
【図2】本発明の8進の乱数発生器の構成図である。
【図3】従来の2進の乱数発生器の構成図である。
【符号の説明】
1、4 偏波保存光ファイバカップラ
2、3、5、6 偏波保存光ファイバ
7 偏光ビームスプリッタ
8 単一光子検出器
9 計時手段
10 偏波保存光ファイバカップラ
11、12、15 偏波保存光ファイバ
13 演算手段
14 シャッター
Claims (6)
- nを2以上の自然数としたとき、2本の偏波保存光ファイバを偏波保存光ファイバカップラによりn組直列に連結して2のn乗の光路長がすべての経路で異なるように設定し、その光路の終端に単一光子検出器とその出力に基づき時間を測定する計時手段を設けることを特徴とする乱数発生器。
- 請求項1記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバカップラを、偏波面を保持した状態で分岐比を任意に設定した光子分配器とすることを特徴とする乱数発生器。
- 請求項2記載の乱数発生器において、上記分岐比を50/50としたことを特徴とする乱数発生器。
- 請求項1または2記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバおよび上記偏波保存光ファイバカップラは光路長が経路毎に同じ値をとらないように構成されていることを特徴とする乱数発生器。
- nを2以上の自然数とするとき、2本の偏波保存光ファイバを並置した1段のユニットを乱数発生のための2のn乗進数に応じてn段数直列に配置して光路長をすべての経路で異なるように設定し、最終段を除いて各段の前記2本の偏波保存光ファイバ毎にその端部を分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラで連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けたことを特徴とする乱数発生器。
- 請求項5記載の乱数発生器において、光子入射経路上にシャッターを設け、前記計時手段でシャッターの開閉時間から光子入射時間を計測すること特徴とする乱数発生器。
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