JP4759077B2 - 乱数を発生させる装置および方法 - Google Patents

乱数を発生させる装置および方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4759077B2
JP4759077B2 JP2009180711A JP2009180711A JP4759077B2 JP 4759077 B2 JP4759077 B2 JP 4759077B2 JP 2009180711 A JP2009180711 A JP 2009180711A JP 2009180711 A JP2009180711 A JP 2009180711A JP 4759077 B2 JP4759077 B2 JP 4759077B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
random number
light source
time difference
threshold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2009180711A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2011034397A (ja
Inventor
恭 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2009180711A priority Critical patent/JP4759077B2/ja
Publication of JP2011034397A publication Critical patent/JP2011034397A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4759077B2 publication Critical patent/JP4759077B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、乱数発生装置に関する。より詳しくは、本発明は、ランダムな「０」「１」のビット列を発生する乱数発生装置に関する。
乱数は暗号システムや認証システムなどに用いられる基本要素であり、乱数発生器はこれらのシステムを構築するうえでの基本デバイスである。通常、乱数は｛０、１｝のランダムなビット列である。乱数を発生させる手法としては、大きく分けて、計算機上のアルゴリズムで作る算術的方法と物理現象を利用する方法があるが、真にランダムなビット列は後者により生成される。
物理的乱数発生法にもいろいろな手法がある。もっとも一般的であり製品化もされているのは、電気回路の雑音を利用する方法である（非特許文献１参照）。電子が導体内を粒子として移動する際、個々の電子に生じるランダムな運動が、電気的な雑音を引き起こす。そこで、この雑音信号を閾値回路に通し、あるレベル以上ならビット「１」、それ以下ならビット「０」を出力することにより、乱数を得る。
真性乱数（物理乱数）生成ＩＣ ＲＰＧ１００／ＲＰＧ１００Ｂカタログ、［online］、２００５年９月、ＦＤＫ株式会社、［平成２１年７月１５日検索］、インターネット＜http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pdf/HM-RAJ001.pdf＞
このような電気的な雑音信号の振幅は一般に大きくはなく、数十μＶ程度である。これを閾値処理するためには、４〜５桁ほど増幅しなければならない。特に、速い速度で乱数を発生させたい場合、広帯域な回路及び増幅器が必要となり、回路規模や消費電力が大きくなる。そのため、より簡便な乱数発生器を得るためには、振幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させる手段が望まれる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来よりも簡便な乱数発生技術を提供することにある。特に、振幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させる手段を備えた乱数発生技術を提供する。
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、乱数を発生させる装置であって、増幅自然放出光を出力する光源と、前記光源からの光を分岐する分岐手段と、前記分岐した光の間に時間差を与える遅延手段と、前記時間差を与えられた光を合波する合波手段と、前記合波された光の強度を検出する検出手段と、前記検出された光の強度を閾値と比較して乱数を生成する閾値手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の装置であって、前記分岐手段は、前記光源からの光を２つに分岐することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、乱数を発生させる方法であって、増幅自然放出光を分岐することと、前記分岐した光の間に時間差を与えることと、前記時間差を与えられた光を合波することと、前記合波された光の強度を閾値と比較して乱数を生成することとを備えることを特徴とする。
これまで述べてきたように、本発明によれば、揺らぎ幅が大きくかつ広帯域な雑音信号を発生させることができる。これにより、従来よりも簡便な乱数発生器を提供することができる。より具体的には、本発明によれば、電気雑音を利用する従来技術より３桁以上大きな揺らぎを持つ雑音信号を得ることができる。また、光周波数の帯域が広いＡＳＥ光源を使用することにより、速い生成速度の乱数発生が可能となる。
本発明の一実施形態による乱数発生器の構成例を示す図である。
図１に、本発明の一実施形態による乱数発生器の基本構成を示す。乱数発生器１００は、増幅自然放出（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＥＳ）光を発生する光源１０１と、ＡＥＳ光源１０１の出力と結合された光カップラ１０２と、光カップラ１０２の一方の出力と結合された遅延手段１０３と、光カップラ１０２の他方の出力および遅延手段１０３の出力と結合された光カップラ１０４と、光カップラ１０４の出力と結合された光強度検出器１０５と、光強度検出器１０５の出力と接続された閾値回路１０６とを備えている。
ＡＳＥ光源１０１は、増幅自然放出（ＡＥＳ）光を発生する。具体的には、信号光が入力されていない光増幅器やスーパールミネッセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ：ＳＬＤ）などがこれにあたる。ＡＳＥ光源からの出力光は、光カップラ１０２により２分岐され、一方に対して遅延手段１０３により時間遅延が与えられた後、光カップラ１０４により再び合波される。合波された光は、光強度検出器１０５により電気信号に変換され、光強度検出器からの電気信号は、閾値回路１０６により電気信号のレベルに応じてビットが判定される。そして、閾値回路１０６からのビット列は、乱数発生器１００の出力となる。なお、光強度検出器１０５からの電気信号は、必要に応じて増幅器により増幅してもよい。
このような構成における信号の流れを、式を使用して説明する。
まず、ＡＳＥ光源からは広い波長範囲にわたって位相がランダムな光（自然放出光）が出力される。出力光の波長範囲を微小単位の波長域に区切り、ｋ番目の波長域の出力光をＡkｅｘｐ［ｉ（ωkｔ＋θk）］と表わすと、全出力光はそれらの足し合わせとして次のように表される。
Figure 0004759077
ここで、ωkはｋ番目波長域の光の角周波数、θkはその位相、Ａkはその振幅であり、ΣはＡＳＥ光源の出力波長範囲の和を表す。Ａkは時間的に一定である一方、位相θkはランダムに変動する。
ＡＳＥ光源からの出力は２分岐され、一方に遅延時間τが与えられた後に再び合波される。合波後の光は次のように表わされる。
Figure 0004759077
第１項が短い経路を経た光、第２が長い経路を経た光を表わしている。長い経路を経た光は、遅延を受けた分、時間がτだけシフトしている。
合波後の光は光強度検出器により電気信号に変換される。この電気信号は、次のように表わされる。
Figure 0004759077
各微小波長域の位相θkは、時間的にランダムに変動し、また異なる波長域間の相対位相（θk−θk'）もランダムである。したがって、式（１）の第２〜４項はランダムに変動する。そこで、この電気信号を閾値回路に入力し、あるレベル以上ならビット「１」、それ以下ならビット「０」とすれば、乱数を得ることができる。
式（１）において、第１項以外は全てランダムに変動する項となっている。各項の大きさはほぼ同じオーダーである。したがって、式（１）で表わされる電気信号は、信号全体が大きく変動する。ところで、一般的な光強度検出器であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の光-電気変換効率は、１Ａ／Ｗ程度である。つまり、数ｍＷの光信号から数ｍＡの電気信号が発生する。これは、５０Ω回路系では１００ｍＶ以上に相当する。また、光増幅器やスーパールミネッセントダイオードから数ｍＷ程度のＡＳＥ光を得るのは容易である。これらのことより、本実施形態では、電気雑音を利用する従来技術より３桁以上大きな揺らぎを持つ雑音信号が得られることが分かる。
さらに帯域についてみてみると、式（１）の信号の周波数帯域は、ＡＳＥ光の光周波数帯域にわたっている。上記ＡＳＥ光源の光周波数帯域は１ＴＨｚ以上であり、式（１）の信号周波数帯域も同じ程度と考えられる。これを利用すると、速い生成速度の乱数発生が可能である。
以上、本発明について、特定の実施形態について具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
１００ 乱数発生器
１０１ ＡＥＳ光源
１０２ 光カップラ
１０３ 遅延手段
１０４ 光カップラ
１０５ 光強度検出器
１０６ 閾値回路

Claims (3)

  1. 乱数を発生させる装置であって、
    増幅自然放出光を出力する光源と、
    前記光源からの光を分岐する分岐手段と、
    前記分岐した光の間に時間差を与える遅延手段と、
    前記時間差を与えられた光を合波する合波手段と、
    前記合波された光の強度を検出する検出手段と、
    前記検出された光の強度を閾値と比較して乱数を生成する閾値手段と
    を備えたことを特徴とする装置。
  2. 請求項１に記載の装置であって、
    前記分岐手段は、前記光源からの光を２つに分岐することを特徴とする装置。
  3. 乱数を発生させる方法であって、
    増幅自然放出光を分岐することと、
    前記分岐した光の間に時間差を与えることと、
    前記時間差を与えられた光を合波することと、
    前記合波された光の強度を閾値と比較して乱数を生成することと
    を備えることを特徴とする方法。
JP2009180711A 2009-08-03 2009-08-03 乱数を発生させる装置および方法 Active JP4759077B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009180711A JP4759077B2 (ja) 2009-08-03 2009-08-03 乱数を発生させる装置および方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009180711A JP4759077B2 (ja) 2009-08-03 2009-08-03 乱数を発生させる装置および方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011034397A JP2011034397A (ja) 2011-02-17
JP4759077B2 true JP4759077B2 (ja) 2011-08-31

Family

ID=43763397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009180711A Active JP4759077B2 (ja) 2009-08-03 2009-08-03 乱数を発生させる装置および方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4759077B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110632764A (zh) * 2019-10-31 2019-12-31 太原理工大学 一种基于toad环的混沌光产生装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10019235B2 (en) 2011-09-30 2018-07-10 Los Alamos National Security, Llc Quantum random number generators
EP3745254A1 (en) * 2015-07-29 2020-12-02 Triad National Security, LLC Quantum random number generators
KR101880520B1 (ko) * 2015-08-25 2018-07-20 에스케이텔레콤 주식회사 복수의 광원을 활용하는 양자 노이즈 기반 난수생성장치
CN109828745A (zh) * 2019-02-25 2019-05-31 华中科技大学 一种量子随机数发生器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000276329A (ja) * 1999-03-26 2000-10-06 Takeshi Saito 超高速物理乱数生成装置
JP4952461B2 (ja) * 2007-09-12 2012-06-13 ソニー株式会社 乱数生成装置および乱数生成方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110632764A (zh) * 2019-10-31 2019-12-31 太原理工大学 一种基于toad环的混沌光产生装置
CN110632764B (zh) * 2019-10-31 2021-05-25 太原理工大学 一种基于toad环的混沌光产生装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011034397A (ja) 2011-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4759077B2 (ja) 乱数を発生させる装置および方法
JP6456763B2 (ja) 光学系に基づく量子乱数発生の方法及びデバイス
Shi et al. Random numbers from vacuum fluctuations
Zhang et al. Note: Fully integrated 3.2 Gbps quantum random number generator with real-time extraction
CN106354476B (zh) 基于激光相位涨落的量子随机数发生器和量子随机数生成方法
US8554814B2 (en) Random signal generator using quantum noise
CN103793198B (zh) 基于放大真空态的量子随机数发生器及方法
US20190050203A1 (en) Quantum random number generator
US9430192B2 (en) Method and system for generating random numbers
EP3423935B1 (en) Method and system for random number generation
WO2010029638A1 (ja) 光子検出器
CN209433389U (zh) 一种基于多纵模激光器的高速量子随机数发生装置
Taiwo et al. Performance and comparison of fiber vibration sensing using SAC-OCDMA with direct decoding techniques
Li et al. Analysis of the effects of temperature increase on quantum random number generator
Wei et al. Compact quantum random number generator based on superluminescent light-emitting diodes
Li et al. High sensitive detection of high-order partial wave scattering in photoassociation of ultracold atoms
CN108536424A (zh) 一种基于真空涨落的量子随机数发生器
Li et al. Experimental study on the security of superluminescent led-based quantum random generator
JP5649759B2 (ja) 光子検出装置および方法
CN107817967B (zh) 基于sfp收发一体的量子随机数发生器
KR20190105833A (ko) 안전한 통신을 위한 가시광선을 이용한 순수난수 생성 장치 및 생성 방법
JP6355458B2 (ja) 光子検出装置
JP7110822B2 (ja) 光信号処理装置
Niemczuk Shot noise-based quantum random number generator
Ivanova et al. Fiber quantum random number generator, based on vacuum fluctuations

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110527

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110603

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4759077

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140610

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350