JP7110387B2 - ランダム性の増幅、生成、または証明 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年12月19日に提出された「Systems and Methods for Amplifying, Generating, or Certifying Randomness」と題する米国仮特許出願第US62/607,719号に基づく優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
作240におけるチェックにより、さらなる反復が必要ないことが示されると、記憶された測定値が出力される(242)。
U0={{0001},{0010},{0100},{1000}}および
U1={{0111},{1011},{1101},{1110}}
上式で、U0は4つの可能な測定設定の集合であり、U1は4つの可能な測定設定の異なる集合である。
p(x1,x2,x3,x4|u1,u2,u3,u4)
|ν1>=|0> |ν2>=|1>
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M9={|ν6>,|ν8>,|ν15>,|ν17>} (9)
量子情報処理用の光学システムでは、キュビットを表すために光子と呼ばれる所与のモードの光の単位が使用される。光学素子(ビームスプリッタ、ミラー、および位相シフタ)を介した動作は、キュビットに量子ゲートを実装するために使用される。多くの光子キュビットの状態を準備するために、光パラメトリックダウンコンバージョンの確立された手順が使用される。光パラメトリックダウンコンバージョンでは、光のビームは非線形結晶を通過し、次いで非線形結晶は、偏光(または、運動量)がもつれた双子光子を出力する。別の手法は、明確に定義された量子状態で単一光子を生成することである。再び、これは光学素子を使用して行うことができる。一般的な量子回路を実装するために使用することができる別の素子は、量子ゲート(1つまたは複数の光子の量子状態の変換)である。基本的な原理は、ビームスプリッタおよび/または位相シフタを使用して、任意の1キュビット単位演算を構築できることである。2キュビットゲートの場合、光学デバイス(たとえば、カー非線形を用いて)を使用するか、非線形をシミュレーションするためにカー非線形スキームのように測定を使用することが可能である。光子の測定は、光量子を電流に変換するp-n接合を含む産業用の光検出器を使用して実行され得る。
セットアップは、トラップされた原子の線形アレイ(たとえば、定在電磁波による)であり得る。各イオンは、2つの基底状態の超微細レベルにおいて1キュビットを記憶する。超微細キュビットは、非常に長寿命(たとえば、数千から数百万年の減衰時間)であり、位相と周波数が安定している(このため、従来から原子周波数標準に使用されている)。イオンキュビット状態は、光ポンピングのよく知られたプロセスを使用して、特定のキュビット状態で準備される。
ランダム性生成プロトコルはまた、超伝導回路において実装することができる。
次に、詳細な実施形態について、量子装置102が光学システムを使用して実装されている図8から図12を参照して説明する。以下の詳細な説明は、図8から図12を参照して説明された実施形態を例示することを意図しているが、装置の範囲または設計を限定するものではない。
複数の量子粒子を量子状態においてもつれさせるように構成された量子デバイスを提供するステップと、
2つの異なるベースで複数の粒子の各々を測定するステップと、
ベルの不等式の破れのレベルを決定するステップと、
決定された破れのレベルに少なくとも部分的に基づいて、受け入れるか中止するかを決定するステップと、
2ソース抽出器を介してランダムなビット文字列を抽出するステップとを含む、方法。ベルの不等式の破れのレベルを決定することによって、測定された粒子を含む量子デバイスの出力が古典的効果によるものか、量子効果によるものかを決定することが可能になる。出力が古典的効果によるものである場合、プロセスは中止され得る。プロセスが受け入れる場合、量子デバイスの出力は、人間が量子デバイス自体を視覚的に、または手動で検査する必要なしに、量子効果によるものであることがわかる。プロセスが出力を受け入れると、量子効果の測定値を含み、この非決定論的出力は、暗号化プロセスまたは認証プロセスなどの下流のプロセス、あるいはランダムなビット文字列を使用する他の下流のプロセスの必要に応じて、オンデマンドのランダムなビット文字列を生成するために2ソース抽出器によって使用される。2ソース抽出器への入力は、量子ソースからであることが知られているランダムなビット文字列であるため、2ソース抽出器の出力はランダムである。
第1のビット文字列と第2のビット文字列を繰り返し生成するように構成されたランダム性の弱いソースと、
第2のビット文字列を受け取ることと、関連付けられる第3のビット文字列を出力することとを行うように構成された量子デバイスと、
第2のビット文字列および関連付けられる第3のビット文字列ごとに、第2のビット文字列および第3のビット文字列を比較することによってテスト統計を計算するように構成されたセキュリティテストデバイスであって、計算されたテスト統計に基づいて、量子デバイスの出力を受け入れるか拒否するかを決定するように構成されたセキュリティテストデバイスと、
セキュリティテストデバイスが量子デバイスの出力を受け入れる場合、第1のビット文字列と第3のビット文字列を受け取ることと、ランダムなビット文字列を生成することとを行うように構成された2ソース抽出器とを含む、システム。本システムは、セキュリティテストに合格し、量子効果によるものであることがわかっている量子デバイスの出力のみが使用されるため、真にランダムなビット文字列を生成することができるという利点がある。
ベルの不等式の破れが測定される第1のテストと、
量子デバイスが非シグナリング基準を満たすかどうかを決定するための第2のテストとを含む、条項6から9のいずれか一項に記載のシステム。2つのテストを使用することによって、量子デバイスからの出力の品質は量子効果によるものであり、また、量子効果と、量子デバイス内で相互に影響を及ぼさない量子システムによるものであると決定される。ベルの不等式は、クラウザー・ホーン・シモニー・ホルト(CHSH)の不等式を含むことができる。
もつれた粒子の対aおよびa'を生成するように構成された量子ジェネレータと、
aおよびbを含むもつれ状態を生成するように構成された第1の状態拡張デバイスと、
a'およびb'を含むもつれ状態を生成するように構成された第2の状態拡張デバイスと、
abまたはa'bまたはab'またはa'b'の2重の一致(two-fold coincidence)に関する一致測定を実行するように構成された第1の測定デバイスと、
ベルの不等式の破れを測定することと、もつれ状態が非シグナリングであるかどうかを決定することとを行うように構成された第2の測定デバイスと、
第2の測定デバイスから入力を受け取ることと、ランダムなビットを出力することとを行うように構成された2ソース抽出器とを含む、システム。本システムは、システム自体の内部機能を手動で検査する必要なしに、量子システムから生成されることがわかっているランダムなビットを出力する実用的な装置である。
測定装置からの測定値を記憶するメモリであって、測定出力は、粒子が実質的に同時に複数の検出器において検出される一致の有無の表示を含み、検出器は、粒子ソースからの実質的に同じ長さを有する異なるチャネルの端にある、メモリと、
記憶された測定値からテスト統計を計算することであって、テスト統計がベルの不等式を表す、計算することと、テスト統計をしきい値と比較することとを行うように構成されたプロセッサとを有し、
プロセッサは、計算されたテスト統計の値が、しきい値を下回った場合に、測定値が量子システムからのものであることを証明する証明書を生成して出力するように構成される、セキュリティテストロジック。セキュリティテストロジックは、量子システムの機能を手動で検査する必要なしに、量子システムからのものとして測定を自動的に証明する実用的で効率的な装置である。
少なくとも一対の導波路であり、各導波路が、複数の偏光修正器が散在する複数の光変位材料のブロックを含む、導波路の対と、
もつれた光子の対を受け取る入力とを含み、対の各メンバーが、対の他のメンバーに対して互いに直交する偏光を有し、入力は導波路の対に接続され、したがって、各導波路が、もつれた対のうちの1つを受け取り、光変位材料のブロックおよび偏光修正器を通じて導波路内のもつれた光子を導いて光子の量子重ね合わせを作成し、それによって、偏光がそれに沿って変化する導波路内で光子が辿る複数の可能な経路が存在するようにし、
各導波路が、もつれた光子ごとに、光子が導波路を通って進む経路の長さが、もつれた光子の互いに直交する偏光に関係なく実質的に同じであるようなサイズおよび形状である、装置。本装置は展開するために実用的であり、光子の量子重ね合わせを堅牢で正確な方法で作成することを可能にする。
ジェネレータから、もつれた光子の対を受け取るステップであって、対の各メンバーは、対の他のメンバーに対して互いに直交する偏光を有する、ステップと、
もつれた光子を導波路の対に入力するステップであって、したがって、各導波路は、もつれた光子の対のうちの1つを受け取り、導波路内でその長さに沿ってもつれた光子を導いて光子の量子重ね合わせを作成し、それによって、偏光がそれに沿って変化する導波路内で光子が辿る複数の可能な経路が存在するようにする、ステップと
を含み、
各導波路は、もつれた光子ごとに、光子が導波路を通って進む経路の長さが、もつれた光子の互いに直交する偏光に関係なく実質的に同じであるようなサイズおよび形状である、方法。本方法は、状態の重ね合わせを作成する実用的かつ効果的な方法である。本方法は、ベルの不等式の有無を評価するために、もつれた光子対を検出するための装置での使用に適している。
少なくとも一対の測定デバイスを含み、各測定デバイスは、
各検出器が単一光子を検出するように配置された複数の検出器と、
制御パラメータの値に従って、検出器ごとに、検出器の測定基準を自動的に構成する検出器構成装置と、
2つの可能な互いに直交する光子偏光の各々に1つずつ、2つの光子経路を有する光子入力であって、各光子経路が検出器のうちの異なる1つへ進み、単一の測定デバイス内の光子経路は実質的に同じ長さである、光子入力と
を含み、
対における測定デバイスの光子経路が実質的に同じ長さである、装置。本装置は、もつれた光子対を検出するための実用的な装置である。
キュビットを出力するように構成されたエネルギーソースと、
エネルギーソースと通信する複数の量子システムであって、複数の量子システムの各々が、
もつれた量子状態でキュビットを生成するように構成された状態拡張器と、
少なくとも1つの測定基準でキュビットを検出するように構成された測定デバイスと
を含む、量子システムと、
ランダム性のソースからの第1の入力を受け入れることと、第1の入力に少なくとも部分的に基づいて、測定デバイスの各々の少なくとも1つの測定基準を調整することとを行うように構成されたドライバと、
測定デバイスによってキュビット検出を分析することと、
ベルの不等式の破れが発生したと決定することと、
複数の量子システムがノー・シグナリング条件を満たすと決定することと、
分析されたキュビット検出に基づいて、量子証明可能な文字列を出力することと、
量子証明可能な文字列と、ランダム性のソースからの第2の入力とに基づいて、乱数を抽出することと
を行うように構成されたハードウェアプロセッサと、
を含む、装置。
102 量子装置
104 WSR-1
106 セキュリティテストロジック
108 量子から証明された固定長出力
110 ランダム性抽出器
112 弱い乱数
114 WSR-2
116 出力信号
120 コンピュータセキュリティ
120 コンピュータセキュリティ
122 気象予報
124 遠隔通信システム
128 製造制御システム
200 エネルギーソース
202、204、206、208 量子システム
210 状態拡張器
212 測定デバイス
214 出力信号
216 ドライバ
218 ランダム性の弱いソース
220 セキュリティテストA
226 量子から証明された出力信号
300 ソース
302 量子システム
304 量子システム
310 状態拡張器
312 測定デバイス
314 出力信号
316 ドライバ
318 WSR-1
320 セキュリティテストA、セキュリティテストC
322 セキュリティテストB
326 出力信号
800 ブロック
802 偏光修正器
804 入力
806、808 出力光ファイバ
810 導波路、状態拡張器
900 ハウジング
902 チャネル
1000、1002、1004、1006 経路
1104 偏光修正器
1106、1110、1114、1118、1122 空隙
1108、1112、1116、1120、1124、1242、1246 偏光修正器
1126 領域
1200、1202 測定デバイス
1204、1206、1208、1210、1212、1214、1216、1218 検出器
1220 ビームスプリッタ(BS)
1224、1226、1228、1230 偏光ビームスプリッタ
1232 光学モード設定器、光学モード修正器
1234 光学モード設定器
1236、1238 ミラー
1240 偏光修正器
1244 偏光修正器、偏光フィルタ
1250 デバイスドライバ
Claims (23)
- ランダムなビット文字列を生成するためのシステムであって、
第1のビット文字列と第2のビット文字列を繰り返し生成するように構成されたランダム性の弱いソースであって、あるインスタンスにおいて生成された前記第1のビット文字列および前記第2のビット文字列は、別のインスタンスにおいて生成された前記第1のビット文字列および前記第2のビット文字列と必ずしも同じ値を有するとは限らない、ランダム性の弱いソースと、
前記第2のビット文字列のうちの1つまたは複数を受け取り、量子装置が受け取る前記第2のビット文字列のうちの1つまたは複数の各々について、関連付けられる第3のビット文字列を出力するように構成された量子装置であって、前記量子装置は、複数の量子システムを含む、量子装置と、
前記量子装置が受け取る前記第2のビット文字列のそのような1つまたは複数の各々について、前記第2のビット文字列および前記関連付けられる第3のビット文字列を用いて、テスト統計を計算するように構成されたセキュリティテストロジックシステムであって、
前記計算されたテスト統計に少なくとも部分的に基づいて、前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れるか拒否するかを決定するように、および、前記複数の量子システムが近似的に非シグナリングであるかを決定するように構成されたセキュリティテストロジックシステムと、
前記セキュリティテストロジックシステムが前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れる場合、前記第1のビット文字列のうちの1つまたは複数に基づくビット文字列と、前記第3のビット文字列のうちの1つまたは複数に基づくビット文字列とを受け取ることと、前記ランダムなビット文字列を生成することとを行うように構成された2ソース抽出器と
を含み、
前記セキュリティテストロジックシステムは、
ベルの不等式の破れが測定される第1のテストを計算することと、
前記複数の量子システムが近似的に非シグナリングであるかどうかを決定するための第2のテストを計算することと、
前記ベルの不等式の破れおよび前記複数の量子システムが近似的に非シグナリングであると決定したことに応じて、前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れることと、
を行うようにさらに構成される、システム。 - 前記量子装置は、フォトニクスデバイスを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムは、2量子システムまたは4量子システムを含み、前記2量子システムまたは前記4量子システムの各々はキュビットを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムの各々は、前記キュビットに対して測定を行うことと、前記測定の結果を含むビットを出力することとを行うように構成された測定デバイスを含む、請求項3に記載のシステム。
- 前記ランダム性の弱いソースは、前記第1のビット文字列を生成するために第1のランダム性の弱いソースと、前記第2のビット文字列を生成するために第2のランダム性の弱いソースとを少なくとも含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記関連付けられる第3のビット文字列は、少なくとも部分的に、前記第2のビット文字列のうちの前記1つまたは複数を用いて選択される複数の測定設定に基づいて生成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムは、前記複数の量子システムの各々の中に前記測定デバイスを含む検出システムを含み、前記検出システムは、複数の検出器を含み、各測定デバイスは前記複数の検出器のうちの少なくとも1つを含み、前記テスト統計は、粒子が前記検出システムの中の前記複数の検出器によって実質的に同時に検出されることに関連付けられる一致の有無のしるしに少なくとも部分的に基づいて計算される、請求項4に記載のシステム。
- 前記セキュリティテストロジックシステムは、
複数の測定設定を選択することと、
前記複数の選択された測定設定を用いて複数の測定を行うことであって、前記複数の測定を行うことが、前記測定デバイスの出力の確率分布を測定することを含む、ことと、
前記複数の測定からベースラインヒストグラムを生成することと、
前記複数の測定からテストヒストグラムを生成することと、
前記ベースラインヒストグラムと前記テストヒストグラムの間の比較に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の量子システムが近似的に非シグナリングであると決定することと、
を行うようにさらに構成される、請求項4に記載のシステム。 - 前記セキュリティテストロジックシステムは、第2のテスト統計を計算し、前記計算された第2のテスト統計に少なくとも部分的に基づいて前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れるか拒否するかを決定するようさらに構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムの各々は、キュビットを生成するよう構成された状態拡張器を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記セキュリティテストロジックシステムは、
前記測定の前記結果を記憶するよう構成された非一時的メモリと、
前記記憶された結果に少なくとも部分的に基づいて、前記テスト統計を計算するよう構成されたプロセッサと
を含む、請求項4に記載のシステム。 - ランダムなビット文字列を生成するためのシステムであって、前記システムは、
第1のビット文字列と第2のビット文字列を繰り返し生成するように構成されたランダム性の弱いソースであって、あるインスタンスにおいて生成された前記第1のビット文字列および前記第2のビット文字列は、別のインスタンスにおいて生成された前記第1のビット文字列および前記第2のビット文字列と必ずしも同じ値を有するとは限らない、ランダム性の弱いソースと、
前記第2のビット文字列のうちの1つまたは複数を受け取り、関連付けられる第3のビット文字列を出力するように構成された量子装置であって、前記量子装置は、複数の量子システムを含む、量子装置と、
セキュリティテストロジックシステムであって、
前記量子装置が受け取る前記第2のビット文字列のそのような1つまたは複数の各々について、前記第2のビット文字列および前記関連付けられる第3のビット文字列を用いて、テスト統計を計算するように構成された第1のセキュリティテストと、
複数の測定設定を選択することと、
前記複数の選択された測定設定を用いて複数の測定を行うことであって、前記複数の測定を行うことが、前記複数の量子システムの出力の確率分布を測定することを含む、ことと、
前記複数の測定からベースラインヒストグラムを生成することと、
前記複数の測定からテストヒストグラムを生成することと、
前記ベースラインヒストグラムと前記テストヒストグラムの間の比較に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の量子システムが近似的に非シグナリングであると決定することと、
を行うように構成された第2のセキュリティテストと、
を行うように構成された、セキュリティテストロジックシステムと、
前記セキュリティテストロジックシステムは、前記第1のセキュリティテスト及び前記第2のセキュリティテストに少なくとも部分的に基づいて、前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れるか拒否するかを決定するようにさらに構成され、
前記セキュリティテストロジックシステムが前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れる場合、前記第1のビット文字列のうちの1つまたは複数に基づくビット文字列と、前記第3のビット文字列のうちの1つまたは複数に基づくビット文字列とを受け取ることと、前記ランダムなビット文字列を生成することとを行うように構成された2ソース抽出器と
を含む、システム。 - 前記量子装置は、フォトニクスデバイスを含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムは、2量子システムまたは4量子システムを含み、前記2量子システムまたは前記4量子システムの各々はキュビットを生成する、請求項12に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムの各々は、前記キュビットに対して測定を行うことと、前記測定の結果を含むビットを出力することとを行うように構成された測定デバイスを含む、請求項14に記載のシステム。
- 前記ランダム性の弱いソースは、前記第1のビット文字列を生成するために第1のランダム性の弱いソースと、前記第2のビット文字列を生成するために第2のランダム性の弱いソースとを少なくとも含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記関連付けられる第3のビット文字列は、少なくとも部分的に、前記第2のビット文字列のうちの前記1つまたは複数を用いて選択される第2の複数の測定設定に基づいて生成される、請求項14に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムは、前記複数の量子システムの各々の中に前記測定デバイスを含む検出システムを含み、前記検出システムは、複数の検出器を含み、各測定デバイスは前記複数の検出器のうちの少なくとも1つを含み、前記テスト統計は、粒子が前記検出システムの中の前記複数の検出器によって実質的に同時に検出されることに関連付けられる一致の有無のしるしに少なくとも部分的に基づいて計算される、請求項15に記載のシステム。
- 前記セキュリティテストロジックシステムは、
前記測定の前記結果を記憶するよう構成された非一時的メモリと、
前記記憶された結果に少なくとも部分的に基づいて、前記テスト統計を計算するよう構成されたプロセッサと
を含む、請求項15に記載のシステム。 - 前記テスト統計は、ベルの不等式の破れのレベルを決定することを含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記ベルの不等式は、CHSH(クラウザー・ホーン・シモニー・ホルト)の不等式を含む、請求項20に記載のシステム。
- 前記複数の量子システムの各々は、キュビットを生成するよう構成された状態拡張器を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記セキュリティテストロジックシステムは、第2のテスト統計を計算し、前記計算された第2のテスト統計に少なくとも部分的に基づいて前記関連付けられる第3のビット文字列を受け入れるか拒否するかを決定するようさらに構成される、請求項12に記載のシステム。
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