JP6945539B2 - マルチモードレーザキャビティにおける量子乱数生成のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、乱数生成器（RNG）に関し、特に、可変の利得または損失を有するマルチモードレーザキャビティにおける量子観測量の本質的なランダム性に基づいた生成器に関する。

乱数は、何らのパターンも無くランダムに見える数またはシンボルのシーケンスを形成する。乱数生成器（RNG）は、乱数を生成するように設計された計算または物理デバイスである。RNGは、擬似RNG（PRNG）、計算アルゴリズム、および真性RNG（TRNG）に分類され得る。TRNGは、物理デバイスであり、古典的な決定論的法則に基づいた古典的RNG（CRNG）および量子効果に基づいた量子RNG（QRNG）に細別され得る。

現在の商用のRNGデバイスは、多くの他の方式の中で、シングルフォトンの空間分布（特許文献1）、半導体レーザにおけるカオスダイナミクス（非特許文献1）、CMOSメタスタビリティ（特許文献2）、シングルフォトン検出器のアレイにおけるシングルフォトンの検出（非特許文献2）、または半導体レーザにおける位相拡散（特許文献3、非特許文献3）に基づいている。

特許文献3は、パルスシングルモード半導体レーザにおける量子位相拡散を測定することに基づいたQRNGを開示している。レーザをしきい値より下から上に変調することにより、ほぼ同一の強度を有する光パルスおよび完全にランダム化された位相が生成される。続いて、外部の干渉計を使用することにより、ランダムな位相がランダムな振幅へと変換され、ランダムな振幅がPIN検出器によってデジタル化され得る。1つのレーザ源および干渉計の代わりに、2つのレーザ源がコンバイナと共に使用され得る。この技法は超高速動作状態を可能にし、最近の刊行物は40〜80Gbpsまでのビットレートを示している（非特許文献4、非特許文献5）。しかしながら、外部の干渉計要素、または、スペクトル的に一致して発光する2つのレーザおよびカップリングオプティクスの必要性は、要素の数を増加させ、QRNGデバイスの全体の寸法を増大させるので、レイアウトを複雑化させ、場合によってはQRNGのパフォーマンスが構成要素の安定性に影響を受ける。たとえば、2つのレーザのケースでは、それらの放出波長スペクトルが狭く（シングルモード）、一致し、経時的に維持されなければならず、これは、本質的な不安定さおよび環境の変化ゆえに、常に容易に達成できるわけではない。

かくして、超高速および量子機械的エントロピー特性を維持する、縮小された寸法（フットプリント）を有する、より小型のフォームファクタのRNG源のニーズが存在する。

米国特許第7519641号明細書 米国特許出願公開第2010/0332574号明細書 米国特許出願公開第2013/0036145号明細書

A. Uchida et al, "Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers", Nat. Photonics, vol. 2, 12, 728-732 (2008) S. Tisa et al, "High-Speed Quantum Random Number Generation Using CMOS Photon Counting Detectors", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, (21) 3, 23-29 (2015) F. Xu et al, "An ultrafast quantum random number generator based on quantum phase fluctuations", Opt. Express 20, 12366 (2012) Z.L. Yuan et al, "Robust random number generation using steady-state emission of gain-switched laser diodes", Appl. Phys. Lett. 104, 261112 (2014) C. Abellan et al, "Ultra-fast quantum randomness generation by accelerated phase diffusion in a pulsed laser diode", Opt. Express 22, 1645 (2014)

発明の目的は、量子乱数生成のための方法、したがって、従来技術の制約を克服するシステムを提供することである。発明は、マルチモードレーザのモードのランダムな位相の、高速フォトダイオードによって検出され得るランダムな強度パターンへの変換に基づいている。この目的のために発明は、一往復あたりのそのネットゲインが電気パルスドライバによって正から負の値におよびその逆に連続的に変調されるマルチモードレーザを利用するステップと、キャビティの往復時間より長い期間にわたって一往復あたりのネットゲインを正に維持するステップと、キャビティの往復時間より長い期間にわたって一往復あたりのネットゲインを負に維持するステップと、高速フォトダイオード（PIN）を利用して、レーザキャビティの縦モード間の結果として生じるビーティングパターンを検出するステップとを備える。

発明を実現するための多くの異なる方式のマルチモードレーザ、例えば、そのマルチモード応答が適切な波長選択反射器によって達成されるファブリペローキャビティ半導体レーザ、または、モード選択のためのファイバーブラッググレーティングと利得媒体としての半導体光増幅器とを備えるファイバリングレーザが存在する。特に、十分に負であるネットゲインの値およびそれに対応して大きい位相拡散を達成するために、少なくとも2つのモードのうちの少なくとも1つのネットゲイン、すなわち、キャビティにおける利得と損失との間の差が適切に変調され得る限り、少なくとも2つのモードを有するいずれのレーザキャビティも原理的に適している。

ネットゲインを変調するために、レーザ利得、キャビティの損失、またはあるいはレーザ利得とキャビティ損失の両方が変調され得る。各々の変調サイクルにおいて、レーザは2つの安定した作動状態を経験する。すなわち、（i）しきい値より上であり、マルチモードレーザの異なる縦モードが、周波数間隔とモード間の相対位相とによって特徴づけられたランダムな強度パターンを作成するだろう。そして、（ii）しきい値より下であり、レーザキャビティフィールドが強制的に自然放出状態で動作し、次の変調期間にわたってモード間の相対位相をこのようにリセットし、ランダム化する。レーザをしきい値より下に持ってくることに成功しないこと、および、新たな誘導放出パルスを生成する前に誘導放出フォトンがキャビティを出るように、往復時間と比較して十分に長い時間にわたってそれをそのような状況に保つことは、後続パルスのパターン間の相関を導入するだろう。発明のおかげで、非常にコンパクトな（小さいフットプリントの）システムにより、特に集積フォトニック回路を用いてそれを構築する場合、いずれの外部要素も干渉要素もなしに量子数を提供することが可能である。

発明のよりよい理解のための説明を完成させるために、図面一式が提供される。これらの図面は発明の好ましい実施形態を示すが、それは、発明の範囲を限定するものとしてではなく、単に、発明がどのように具現化され得るかの例として解釈されるべきである。

発明を実現するための可能な機構を示す図である。 別の機構を示す図である。 マルチモードレーザの2つの動作状態のための自己相関関数を示す図である。

図1は、発明を実現するための第1の機構を示し、2モードレーザが、マルチモードレーザダイオード（MMLD）のキャビティ内の選択的なフィルタリングによって得られる。MMLDは、電気パルスドライバ（PD）によって変調される。2つのモードのみが実施例において選択されるので、フォトダイオード（PIN）によって検出される場合のビーティングパターンは、モード間隔（図面ではモードm₂とm₃との間の周波数の差）によって与えられる周波数と、その特定の期間におけるモード間の位相差によって与えられる初期位相Φ_initとによる、コサイン依存性を示す。光アイソレータ（OI）が、レーザキャビティの中への光後方反射を回避するために追加され得る。

結果として生じる強度パターンは、ランダムな初期位相によるデュアルモード放出ゆえにコサイン依存性を示す。それゆえに、有効なレーザキャビティ利得を変調することによって生成される各々のパルスは、2つのモードのランダムな初期位相上に構築されるので、後続パルスをサンプリングすることは、ランダムな振幅のデジタル化を生み出す。ビーティングに含まれるモードの数が多ければ多いほど、結果として生じる強度パターンはより複雑であり、各々のネットゲインの変調期間内に抽出され得るランダムサンプルの数はより多い。

レーザキャビティのネットゲインを変調することは、システムが量子ランダムサンプル（数）を提供するのに不可欠である、ということに注意する。ネットゲインがしきい値より上に一定に保たれるのなら、モードビーティングは依然として存在するだろうが、キャビティから出力されるパルス間に相関が存在するだろう。ネットゲインがキャビティの往復に相関する周波数によって変調されるのなら、このモードビーティングは、周期的なパルス列を生み出すモード同期として知られているものとなり得るだろう。

統合されたバージョンの方式のための同様の構造は、以下のように作られ得る。すなわち、フォトニック集積回路（PIC）の内部または上部に活性材料を配置し、チップ自体のへき開面を鏡として使用する。スペクトルフィルタリングは、活性材料の両側に格子を配置することによって、またはリング状の構造を使用することによって、のいずれかで達成され得る。

図2において、InPまたはInGaAsPisのような活性材料が、高反射性の端部の鏡を有するファブリペローキャビティの中に配置される。鏡のスペクトル反射率は、キャビティ自体が、ほんのわずかのモードに発振することを可能にさせるフィルタとして動作するように、設計され得る。図2の（a）において2つの反射鏡は、2つの所望のモード（CRC_{1, 2}）をフィルタリングし得る。活性媒質を電気的にポンピングすることにより、レイジングが発生し、広いマルチモード光スペクトルが生成される。鏡の間の分離およびその間の材料の屈折率が、モード間隔を決定する。最後に、モード間隔が検出帯域幅より小さくなるようにキャビティが設計される場合、レーザのモード間ビーティングは、高速フォトダイオード（PIN）によって分離され得る。

図2の（b）において、活性材料がフォトニックチップの上部に堆積させられ、チップのへき開面によって生み出される反射を使用して、キャビティが作成される。スペクトルフィルタリングは格子によって得られる。

図3は、2つの動作状態のための自己相関関数を示す。すなわち、（上の図）レーザが決して自然放出状態に到達しない。そして、（下の図）レーザが順調に自然放出状態に到達する。上の図では、レーザが決して自然放出領域に到達しないので、相関関数は、後続パルス間のパターンが同様であることを示す（図においてピークとして示されている）。その代わりに下の図では、後続パルス間の位相の完全なランダム化のために、何らの相関関係を観察されない。

この本文において、「備える」（comprises）という用語およびその派生語（たとえば、「備えること」（comprising）、等）は、排除の意味で理解されるべきではない。すなわち、これらの用語は、説明および定義されるものがさらなる要素、ステップ、等を含み得る可能性を排除するものとして解釈されるべきではない。

一方で、発明は明らかに、本明細書において説明された特定の実施形態（単数または複数）に限定されるものではないが、特許請求の範囲において定義される発明の一般的な範囲内で（たとえば、オプションの構成要素、構成、等に関して）いずれの当業者によっても考慮され得るいずれの変形例をも含む。

Claims (3)

1. 量子乱数生成器により乱数を生み出すためのプロセスであって、前記プロセスは、
   ａ）一往復あたりの正味の利得を負から正の値に変調し、キャビティの往復時間より長い期間にわたって前記正味の利得を正に維持するように、電気パルスドライバ（PD）により、マルチモードレーザーダイオード（MMLD）を動作させるステップと、
   ｂ）前記ステップａ）に続いて、前記正味の利得を正から負の値に変調し、前記キャビティの往復時間より長い期間にわたって前記正味の利得を負に維持するように、前記電気パルスドライバ（PD）により、前記マルチモードレーザーダイオード（MMLD）を動作させるステップと、
   ｃ）前記ステップａ）及び前記ステップｂ）に後続して、前記マルチモードレーザーダイオード（MMLD）から出力されるモード間のビーティングパターンに対応する後続パルスを高速フォトダイオード（PIN）により検出するステップと、
   ｄ）前記後続パルスをサンプリングすることにより乱数を得るステップと
   を備える、方法。
2. 前記ステップｃ）で扱う前記モードの数を減じるために前記キャビティ内の周波数の数を選択するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記キャビティの中への反射された光パワーを回避するように信号を光学的に絶縁するステップをさらに備える、請求項１又は２に記載の方法。

Images