JP7250817B2 - ランダムビットサンプルを発生させるための方法及びシステム - Google Patents

Description

本改善は、概して、電荷の量子トンネルを用いるランダムビット発生の分野に関する。

ランダムビットは、暗号方法、運のゲーム、科学計算及び／又は統計調査等の多くの分野において価値ある用途を見い出した。これらの用途において、発生させられたランダムビットのランダム性は、それらの予測可能性が、例えば、安全でない通信、不正行為及び／又は信頼性が低い科学的結果に至ることがあるので、非常に重要である。

「ランダム」という表現は、ランダムビット発生器の分野において比較的字義にとらわれない態様で用いられ、その理由は、生成されているビットストリームが特定レベルの決定論性を有する（すなわち、純粋にランダムでない）ことが一般的に認知されているからである。いくつかの手法が、国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）によって開発されたランダムビット発生器のための統計テストセット等の、ランダムビットサンプルのランダム性の品質を評価する方式で開発されている。

ランダムビット発生器から求められる特徴は、ランダム性の品質、比較的高い速度、価格設定、設置面積においてランダムビットを生成する能力、その他を含む。したがって、ランダムビット発生を生成するのに好適なデバイスを提供することにおける改善に余地が残っている。

量子ノイズソースが、本質的にランダムである特徴を呈し、それで、高レベルのランダム性品質を有するランダムビット発生に利用されてもよい。例えば、ビットサンプルが、量子トンネル障壁を横断してランダムにトンネリングする電荷（陰電性の電子及び／又は陽電性の正孔）の電流に基づいて発生させられてもよい。量子トンネル障壁は、例えば、導体同士の間に挟まれた電気絶縁体の形式であってもよい。トンネリングした電荷の電流は、量子トンネルの固有のランダムな性質に起因してランダムに変化する瞬間レベルを有し、それで、低レベルの電気ノイズを形成する。理解され得るように、低レベルの電気ノイズが、典型的には、フィルタリングされ、増幅され、未加工ビットサンプルにデジタル化され、当該未加工ビットサンプルから、次いで、満足のいくランダム性のビットサンプルが決定されてもよい。

例えば、増幅を介する等、量子トンネル障壁から生じる信号を処理することが必要とされて、ランダムビット発生に使用可能な未加工信号を提供できてもよい。処理は、本来、部分的又は全体的に決定論的であってもよく、そして、未加工信号の量子ノイズと本質的に絡み合う外部ノイズを発生させてもよく、それは、結果として生じる未加工ビットサンプルのランダム性の品質を低減させる。したがって、量子トンネル等のまさに量子プロセスが未加工ビットサンプル発生のソースとして用いられるときでさえ、ランダム性の品質が、少しも完璧でないことがあり、処理中に損失されることがある。

量子トンネル障壁から生じる未加工信号の処理と関連する不都合のうちの少なくともいくつかを軽減してもよい方法が、本明細書に記載されている。このことは、量子トンネル障壁の量子寄与値及び少なくとも増幅器に起因する外部寄与値を含む校正データを用いて、かかる未加工ビットサンプルからより高いランダム性品質のビットサンプルを抽出することによって実行されてもよい。

一態様では、２つの導体の間に挟まれた絶縁体を備える量子トンネル障壁を用いて、ランダムビットサンプルを発生させるための方法が提供され、方法は、２つの導体のうちの第１のものから２つの導体のうちの第２のものまで、絶縁体を横断してトンネリングする電荷の電流を発生させるステップであって、トンネリングした電荷の電流は、量子トンネル変動に起因してランダムに変化する瞬間レベルを有し、未加工信号を形成する、ステップと、未加工信号から、第１ビット数ｎを有する未加工ビットサンプルを取得するステップであって、第１ビット数ｎは整数である、ステップと、未加工ビットサンプルからランダムビットサンプルにランダム性を抽出するステップであって、ランダムビットサンプルは、第１ビット数ｎよりも小さい第２ビット数ｍを有し、抽出するステップは、未加工ビットサンプルにおける量子トンネル変動の量子寄与値、及び未加工ビットサンプルにおける外部寄与値を少なくとも含む校正データに基づいている、ステップと、を含む。

一態様において、ランダムビットサンプルを発生させるためのシステムが提供され、システムは、２つの導体の間に挟まれた絶縁体を組み込んでいる量子トンネル障壁を有する量子トンネル障壁回路と、２つの導体のうちの第１のものから２つの導体のうちの第２のものまで、絶縁体を横断してトンネリングする電荷の電流であって、トンネリングした電荷の電流は、量子トンネル変動に起因してランダムに変化し、未加工信号を形成する瞬間レベルを有する、電荷の電流と、未加工信号を受け取り、未加工信号から、第１ビット数ｎを有する未加工ビットサンプルを取得するように構成されたモニタであって、第１ビット数ｎは整数である、モニタと、未加工ビットサンプルからランダムビットサンプルにランダム性を抽出するように構成されたランダム性抽出器であって、ランダムビットサンプルは、第１ビット数ｎよりも小さい第２ビット数ｍを有し、抽出するステップは、未加工ビットサンプルにおける量子トンネル変動の量子寄与値、及び未加工ビットサンプルにおける外部寄与値を少なくとも含む校正データに基づいている、ランダム性抽出器と、を含む。

方法は、比較的単純な電子部品によって具現化され、それで共通の基板において容易に利用可能にされてもよい。更に、電子部品のゲージング及び選択が、驚くほど単純な電子部品を用いて、満足のいく速度でかかるランダムビットサンプルを生成することを可能にしてもよい。更に、基板又はプリント回路基板（ＰＣＢ）を備えるランダムビット発生器が提供され、当該基板又はＰＣＢは、その上に１つ又は複数の量子トンネル障壁が取り付けられ、基板上に直接組み込まれるか、又は別個に提供されてもよいバイアス付与ソース（電荷のソース）に接続されるように適合されている。量子トンネルが、高速度で量子トンネル障壁を横断してトンネリングしてもよい大量のトンネリングした電荷を含んでもよいので、かかるランダムビット発生器は、理論的には、ランダムビットサンプルの非常に迅速な発生及び取得を可能にしてもよい。

本明細書で使用されるような「コンピュータ」という表現は、限定的な態様で解釈されるべきではないことが理解されるであろう。それは、むしろ、なんらかの形式の１つ又は複数の処理ユニットと処理ユニットによってアクセス可能ななんらかの形式のメモリシステムとの組合せを、概して広い意味で指すように用いられる。同様に、本明細書で用いられるような「制御装置」という表現は、例えば、電子デバイス若しくは作動装置等の１つ又は複数のデバイスを制御するという機能を実行するデバイス又は２つ以上のデバイスを有するシステムについて、限定的な態様ではなく、むしろ、一般的な意味で解釈されるべきである。

コンピュータの又は制御装置の様々な機能が、ハードウェアによって又はハードウェアとソフトウェアとの組合せによって実行されてもよいことが理解されるであろう。例えば、ハードウェアは、プロセッサのシリコンチップの部分として含まれる論理ゲートを含んでもよい。ソフトウェアは、メモリシステム内に記憶されたコンピュータ可読命令等のデータの形式であってもよい。コンピュータ、制御装置、処理ユニット、又はプロセッサチップに関して、「構成された」という表現は、関連する機能を実行するように動作可能であるハードウェア又はハードウェアとソフトウェアとの組合せの存在に関係している。

本改善に関する多くの更なる特徴及び組合せが、本開示の読後に当業者に明らかになるであろう。

実施形態に従う、未加工ビット発生器と、ランダム性抽出器と、を備えるランダムビット発生器の例についての略図である。 図１の未加工ビット発生器の例についての略図である。 図２の未加工ビット発生器から所定の未加工ビットサンプルを取得する確率を表すグラフである。 図１のランダム性抽出器の例についての略図である。 図２の未加工ビット発生器から取得された未加工ビットサンプルの分散を表すグラフである。 先の校正データと後の校正データとの間の差が所定の公差値以上であるときに、警告を発生させることが表された図４のランダム性抽出器の例についての略図である。 ランダム性抽出器から受け取られたランダムビットサンプルによって反復して置換されているシードビットサンプルを用いる、図４のランダム性抽出器の例についての略図である。 図１のランダムビット発生器を組み込んでいる電子デバイスの例についての正面図である。 図２の量子トンネル障壁回路の例についての略図である。 ２つの量子トンネル障壁回路を有する未加工ビット発生器の別の例についての略図である。 図１０Ａの未加工ビット発生器の電気回路である。 図１０Ａの未加工ビット発生器の量子トンネル障壁の斜視図である。

図１は、ランダムビット発生器の例を表す。表示するように、ランダムビット発生器は、量子トンネル障壁、及びランダム性抽出器を組み込んでいる未加工ビット発生器を有する。図９を参照して以下に詳細に説明するように、未加工ビット発生器は、量子トンネル障壁回路を有し、当該量子トンネル障壁回路は、２つの導体の間に挟まれた絶縁体を有する量子トンネル障壁を組み込んでいる。

ここで図２を参照すると、量子トンネル障壁回路は、２つの導体のうちの第１のものから２つの導体のうちの第２のものまで、絶縁体を横断してトンネリングする電荷の電流から生じる未加工信号を提供するように構成されている。未加工信号がアナログ信号であるので、トンネリングした電荷の電流は、量子トンネル変動に起因してランダムに変化する瞬間レベルを有する。

示すように、未加工ビット発生器は、モニタを有し、当該モニタは、量子トンネル障壁から未加工信号を直接的又は間接的に受け取るように構成されている。例えば、未加工信号は、量子トンネル障壁から直接的に受け取られてもよい。しかし、示している実施形態等のいくつかの別の実施形態において、量子トンネル障壁回路によって提供された未加工信号は、満足のいくレベルの増幅された未加工信号を提供するための少なくとも１つの増幅器を用いてうまく増幅される。この場合、未加工信号は、少なくとも１つの増幅器を介して量子トンネル障壁から間接的に受け取られる。

モニタは、また、未加工信号から１つ又は複数のデジタル未加工ビットサンプルを提供するように構成されている。示している実施形態では、モニタは、増幅器から受け取られた増幅された未加工信号から、未加工ビットサンプルを提供する。それぞれの未加工ビットサンプルは、第１ビット数ｎを有し、第１ビット数ｎは整数である。後述するように、モニタは、サンプラの形式で提供されてもよい。しかし、サンプラは、未加工信号を未加工ビットサンプルに変換するために用いられてもよい別のモニタ代替物として選択可能である。

いくつかの実施形態では、モニタは、サンプラの形式で提供され、当該サンプラは、未加工信号の瞬間レベルをサンプリングして、量子トンネル障壁を通ってトンネリングする電荷の電流の瞬間レベルに値を帰属させるように構成されている。いくつかの実施形態では、未加工ビットサンプルは、電流の瞬間レベルの値に対応してもよい。例えば、所定の時点において、サンプラは、第１ビット数ｎが４であるときに、２^４－１＝１５という最大値から５相当の値を有するように未加工信号をサンプリングして、未加工ビットサンプル０１０１を提供してもよい。

いくつかの実施形態では、サンプラは、異なる時点において未加工信号の瞬間レベルをサンプリングして、電流の瞬間レベルの値にそれぞれ対応するソースビットサンプルを提供してもよい。しかし、これらの実施形態において、連結器が用いられて、ソースビットサンプルを未加工ビットサンプルに互いに連結してもよい。例えば、第１時点において、サンプラは、２^２－１＝３から１という値を有するように未加工信号をサンプリングして、０１という第１ソースビットサンプルを提供してもよい。次いで、第２時点において、サンプラは、２^２－１＝３から２という値を有するように未加工信号をサンプリングして、１０という第２ソースビットサンプルを提供してもよい。この例では、連結器は、第１ソースビットサンプルと第２ソースビットサンプルとを互いに連結して、未加工ビットサンプル０１１０又は１００１を提供してもよい。かかる実施形態では、第１ビット数ｎは、ソースビットサンプルのうちのそれぞれの１つのソースビット数に、互いに連結されたソースビットサンプルの数を掛けたものに対応する。理解され得るように、連結器は、モニタが未加工信号を未加工ビットサンプルに直接的に変換するように構成され得るように選択可能であってもよい。ソースビットサンプルを互いに連結させることは、連続するソースビットサンプルが互いに相関していない実施形態においては必要でなくてもよいと考えられる。

理解され得るように、量子トンネル障壁回路によって提供された未加工信号は、量子であり、従って非決定論的であると考えてもよい。しかし、それは、増幅された未加工信号又は任意形式の処理された未加工信号には当てはまらない。実際に、この実施形態において、増幅器によって実行される増幅は、外部、非量子及び決定論的な寄与を信号に加える。いくつかの外部寄与は、また、未加工ビット発生器のモニタ（例えば、サンプラ）又は別の電気構成要素によって加えられてもよい。そのため、未加工信号は、量子寄与及び外部寄与の両方を有し、未加工ビットサンプルはそうである。理解され得るように、決定論的である外部寄与を有することによって、かかる未加工信号から直接的に生じるランダムビットは、第三者の相手によって推論可能であっても及び／又は制御されてもよく、当該第三者の相手は、暗号方法アプリケーション等のいくつかのアプリケーションに対して信頼性がより低いかかるランダムビットを付与してもよい。

図３は、未加工ビット発生器から取得された未加工ビットサンプルの確率分布の例を表す。この特定の例において、第１ビット数ｎは、簡単にするために３とする。例えば、サンプラによってサンプリングされたときに、未加工信号の瞬間値が０と５ｍＡとの間の範囲に及ぶとき、発生させられる未加工ビットサンプルは１００であり、サンプラによってサンプリングされたとき、未加工信号の瞬間値が５と１０ｍＡとの間の範囲に及ぶとき、発生させられた未加工ビットサンプルは１０１であり、以下同様である。示すように、未加工ビットサンプル１００を取得する可能性は、未加工ビットサンプル１０１を取得する可能性よりも大きく、以下同様である。示している確率分布は、標準偏差σ及び分散σ^２によって特徴付けられる。

発明者は、未加工ビット発生器によって発生させられた未加工ビットサンプルの分散σ^２が、下記の関係に等価な関係によって与えられることを提示し、

ここに、Ａは、未加工ビット発生器の実効利得であり、Ｓ_ｊは、未加工ビットサンプルにおける量子トンネル変動の量子寄与値であり、Ｓ_extは、未加工ビットサンプルにおける少なくとも増幅の外部寄与値である。この例では、未加工ビット発生器の実効利得Ａは、増幅器の利得及びインピーダンス並びに検出バンド幅を含んでもよい。より詳細には、実効利得Ａは、関係Ａ＝Ｒ^２Ｇ^２Δｆによって与えられ、ここに、Ｒは、量子トンネル障壁の耐性であり、Ｇは、増幅器の実効利得であり、Δｆは、監視される未加工信号のバンド幅である。いくつかの別の実施形態では、増幅器の実効利得Ｇは、用いられる増幅器の仕様から推定されてもよい。代替実施形態において、増幅器の実効利得Ｇは、既知の振幅を有する所定の信号を増幅することによって、及び増幅された信号の振幅を所定の信号の既知の振幅と比較することによって決定されてもよい。そうでなく、増幅器がないときは、増幅器の実効利得Ｇは、統一に対応し、未加工ビット発生器の実効利得Ａは、Ａ＝Ｒ^２Δｆによって与えられる。

下記の例では、量子寄与値Ｓ_ｊは、量子トンネル障壁回路から取得される未加工信号のスペクトル密度であり、一方、外部寄与値Ｓ_extは、増幅器によって提供される増幅に少なくとも起因する外部寄与のスペクトル密度である。

しかし、量子寄与値は、いくつかの別の実施形態において、所定の周波数帯域幅にわたって未加工信号のスペクトル密度の積分から生じるパワー値の形式で提供されてもよいことが理解されてもよい。同様に、これらの実施形態において、外部寄与値は、所定の周波数帯域幅にわたって積分された外部寄与のスペクトル密度の積分から生じるパワー値の形式で提供されてもよい。

ここで図４を参照すると、ランダム性抽出器は、未加工ビットサンプルから第２ビット数ｍを有するランダムビットサンプルにランダム性を抽出するように構成されている。下記の説明から理解されるように、第２ビット数ｍは、第１ビット数ｎよりも小さい。したがって、ビットは、このように抽出プロセスにおいて失われる。

ランダム性のかかる抽出は、少なくとも量子寄与値Ｓ_j及び外部寄与値Ｓ_extを含む校正データに基づいている。

いくつかの実施形態では、校正データ、例えば、量子寄与値Ｓ_ｊ及び外部寄与値Ｓ_extは、先に決定されており、ランダム性抽出器のメモリシステムに記憶される。例えば、校正データは、ランダムビット発生器の生成中に決定されており、次いで、メモリシステムに記憶されてもよい。この場合、ランダムビット発生器は、ランダムビット発生器が特定の限界、例えば、いくつかの所定の温度限界内で用いられるときに、満足のいく結果を生じさせてもよい。

いくつかの別の実施形態では、校正データ、例えば、量子寄与値Ｓ_ｊ及び外部寄与値Ｓ_extは、量子トンネル障壁から取得される未加工ビットサンプルの分散σ²が、量子トンネル障壁が作動させられている電圧Ｖの関数としてどの様に変化するかを示す、分散データσ^２（Ｖ）からの進行に基づいて決定されてもよい。

分散データσ^２（Ｖ）の例は、便宜的に図５に示されている。

また、量子トンネル障壁の分散データσ^２（Ｖ）が、ランダムビット発生器の生成中に決定され、次いで、メモリシステムに記憶されることにより、ランダムビット発生器が特定の限界内で用いられる限り、満足のいく結果をもたらす。

しかし、分散データσ^２（Ｖ）は、先に決定されている必要がない。実際に、いくつかの実施形態では、分散データσ^２（Ｖ）は、電圧を変化させることによって決定されてもよく、当該電圧において、量子トンネル障壁が、未加工ビットサンプルの分散を測定しながら作動させられる。

いずれにせよ、量子寄与値Ｓ_ｊは、下記の式に等価な式によって与えられてもよい。

ここに、Ｓｐｉｅｔｚ、Ｌａｆｅらの「Ｐｒｉｍａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｏｔ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ａ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ３００．５６２７（２００３）に示されるように、ｅは電子電荷であり、Ｖは量子トンネル障壁が作動させられている電圧であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは量子トンネル障壁が作動させられている温度である。

式（２ａ）は、ｈｆ＜＜ｋ_ＢＴであるような周波数ｆについて有効であってもよく、ここに、ｈはプランク定数である。実際に、室温において、式（２ａ）は、周波数ｆ＜＜６ＴＨｚについて有効であってもよい。１０ＧＨｚの周波数において動作することは、指数的に小さい補正を加えてもよい。

理解され得るように、式(１)は、線形式ではない。したがって、少なくとも３つの電圧値における分散σ^２（Ｖ）を測定することにより、未加工ビット発生器の外部寄与値Ｓ_ext、温度Ｔ及び実効利得Ａを推定することが可能である。例えば、通常の最小二乗法を用いて、未加工ビットサンプルの分散σ^２（Ｖ）についての式を決定してもよく、当該分散から、外部寄与値Ｓ_ext、温度Ｔ及び実効利得Ａが推定されてもよい。実際に、未加工ビットサンプルの分散σ^２（Ｖ）が電圧Ｖの関数として線形であってもよい場合におけるｋ_ＢＴ／ｅよりも大きい２つの電圧値を選択してもよく、線形関係の傾きが、実効利得Ａを与えてもよく、一方、ｙ切片が外部寄与Ｓ_extを生じさせる。次いで、残留電圧における線形関係を評価することから温度Ｔを推定してもよい。

図５に表すように、上記の式(１)及び（２ａ）に基づいて、外部寄与値Ｓ_extは、いくつかの別の実施形態において、未加工ビットサンプルの分散データσ^２（Ｖ）から決定されてもよい。より詳細には、いくつかの実施形態では、電圧Ｖがゼロであるときの未加工ビットサンプルの分散σ^２（０）が、下記の関係に等価な関係によって与えられてもよい。

それの追加又は代替として、電圧Ｖ_ｉが所定の電圧閾値より大きいＶ_thres＜Ｖ_iときの未加工ビットサンプルの分散σ^２（Ｖ_i）は、下記の関係に等価な関係によって与えられてもよい。

この例では、未加工ビットサンプルの分散データσ^２（Ｖ）並びに式（２ａ）、(３)及び(４)が与えられると、外部寄与値Ｓ_extが、量子トンネル障壁が作動させられている電圧の関数として変化することが知られていないので、校正データ、例えば、量子寄与値Ｓ_ｊ及び外部寄与値Ｓ_ｅｘｔが決定されてもよい。例えば、Ｔｈｉｂａｕｌｔ、Ｋａｒｌらの「Ｐａｕｌｉ－ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ１１４．２３（２０１５）を参照されたい。

したがって、互いに関連する量子寄与値Ｓ_ｊと外部寄与値Ｓ_extとのそれぞれの相対的寄与を知ることによって、未加工ビットサンプルのうちのいくらが量子寄与に関連付けられてもよいか、そして、未加工ビットサンプルのうちのいくらが外部寄与に関連付けられてもよいかを決定してもよい。

上記の例において、量子トンネル障壁は、オームの法則（Ｖ＝ＲＩ）を用いることを可能にする線形領域において作動させられる。したがって、比Ｖ／Ｉ及び導関数ｄＶ／ｄＩが一定であり、抵抗Ｒを生じさせることがある。しかし、いくつかの別の実施形態では、量子トンネル障壁は、線形領域においてではなく、非線形領域において作動させられてもよく、この場合、比Ｖ／Ｉ及び導関数ｄＶ／ｄＩは一定ではない。この文脈において、量子トンネル障壁を通る電荷の輸送が、量子トンネルを介して生じる限り、量子寄与値Ｓ_ｊは下記の式によって与えられ、

ここに、Ｉは、量子トンネル障壁を通る電流である。この文脈において、電圧Ｖがゼロであるときの未加工ビットサンプルの分散σ^２（０）は、ゼロに近いＩについてＲ＝Ｖ／Ｉ＝ｄＶ／ｄＩに関連し、そして、電圧Ｖ_iが所定の電圧閾値よりも大きいＶ_thres＜Ｖ_iときの未加工ビットサンプルの分散σ^２（Ｖ_i）は、下記の関係に均等な関係σ^２（Ｖ_i）＝２ｅＩによって与えられてもよい。理解され得るように、量子トンネル障壁の非線形性は、例えば、無限でない量子トンネル障壁のポテンシャル障壁の高さ、及び／又はエネルギに依存する電気接点における状態密度から生じてもよい。

未加工ビットサンプルのビットのうちのどれだけが量子寄与に起因するかについて決定する１つの方法は、量子寄与の最小エントロピＨ_∞,Ｑを決定することを含む。１つの定義に従って、最小エントロピＨ_∞,Ｑは、下記の関係に均等な関係によって与えられてもよく、

ここに、ｐ_max,Qは、量子寄与だけを有する未加工信号の瞬間レベルの値のうちの一方又は他方を取得する確率のうちの最大のものである。しかし、未加工ビットサンプルの分散σ^２は、下記の関係に等価な関係によって量子寄与の分散σ_Ｑ ^２に関連することが決定され、

ここに、γは、量子寄与値と外部寄与値との間の比を示す。例えば、比γは下記の式によって与えられてもよい。

未加工ビットサンプルの最小エントロピＨ_∞が、下記の関係に等価な関係によって与えられてもよいことがわかり、

ここに、ｐ_maxは、未加工ビットサンプルのうちの他方の１つを取得する確率のうちの最大のものである。例えば、図３を参照すると、ｐ_maxは、０１１(又は１００)の未加工ビット数を取得することについての確率であってもよい。実際に、処理された未加工信号は、ガウス曲線から識別不可能であってもよい。この場合、Ｉ_maxがモニタ（例えば、サンプラ）の最大値である場合、２つの連続した整数が、

によって分離された２つの電流に対応し、ここに、ｎは第１ビット数であり、確率の最大ｐ_max及びｐ_max,Qは、下記の関係に均等である関係によって与えられる。

したがって、式(５)、(６)、(８)及び(１０)を用いると、次式を得ることができる。

未加工ビットサンプルの最小エントロピＨ_∞及び比γが、上記のように決定されていてもよく、量子寄与の最小エントロピＨ_∞,Qが、また、決定されてもよい。量子寄与の最小エントロピＨ_∞,Qが用いられて、未加工ビットサンプルのうちのどれだけのビットが量子寄与に起因しているのかを決定してもよく、それで、ランダム性抽出器への入力として用いられてもよい。

例えば、所定の実施形態において、ｎ＝１４ビット及びＩ_max＝３σについて、未加工ビットサンプル毎に１２．７ビットの未加工データについての最小エントロピＨ_∞を取得してもよい。１．４ｎＶ毎ルートヘルツの電圧ノイズを有する増幅器については、外部寄与値Ｓ_extが、２ｘ１０^－１８Ｖ^２／Ｈｚであるように決定されてもよい。電圧Ｖ＝０．４Ｖで作動させた抵抗Ｒ＝５０オームを有する量子トンネル障壁については、量子寄与値Ｓ_ｊが、２ｅＶＲ＝６．４ｘ１０^－１８Ｖ^２／Ｈｚであるように決定されてもよく、それは、３．２の比γを生じさせる。この場合、最小エントロピＨ_∞,Qは、未加工ビットサンプル毎に１２．５ビットだけ与えられてもよい。この場合、未加工ビットサンプル毎に０．３ビットの安全率が用いられてもよく、そして、それは、未加工ビットサンプルからランダム性を抽出して、初期の１４ビットの未加工ビットサンプル毎に１２．２ビットを保持することをもたらす。かかる実施形態において、未加工ビットサンプルの第１ビット数ｎが１４である場合、第２ビット数ｍは、１２まで低下されてもよい。そうすることによって、ランダム性についての満足のいく品質に概して関連付けられる未加工ビットサンプル毎に０．２ビットが、失われてもよい。

ランダムビット発生器の処理能力が、いくつかのアプリケーションにおいて重要なものであるので、未加工ビットサンプル毎にこれらの０．２ビットを失うことが不都合であることがある。これを回避するために、連結器を用いることが好都合であることがある。かかる実施形態では、モニタは、１４というソースビット数を有するソースビットサンプルを提供するように構成され、その他、量子トンネル変動の最小エントロピＨ_∞,Qに基づいて、ソースビットサンプル毎に１２．２ビットが保持されることができ、連結器が用いられて、その損失を最小化するようにある数のソースビットサンプルを互いに連結させてもよいことが決定される。例えば、互いに連結させるためのソースビットサンプルの数は、保持するための未加工ビットサンプル毎のビットの数が掛けられると整数を生じさせてもよい数に一致してもよい。例えば、この特定の例において、未加工ビットサンプル毎のビットの数が１２．２ビットである場合、５、１０又は５の任意の倍数毎に１２．２ビットを掛けることが、整数を生じさせることになる。したがって、ランダム性についての満足のいく品質に関連するビットの損失を回避するために、いずれかの未加工ビットサンプルが、５、１０又は５の任意の倍数の連結のソースビットサンプルの結果であることが好ましい場合がある。

ランダム性抽出は、複数の異なるアルゴリズムを用いて実行されてもよい。かかるアルゴリズムの例としては、最下位ビット方法、非ユニバーサルハッシュ関数、Ｔｒｅｖｉｓａｎの抽出器、及び／又はＴｏｅｐｌｉｔｚハッシュ関数等のユニバーサルハッシュ関数が挙げられる。いくつかの実施形態では、Ｔｒｅｖｉｓａｎの抽出器及びユニバーサルハッシュ関数は、それらが情報理論的に証明可能であると考えられるので、好ましい場合がある。Ｍａｎｓｏｕｒ、Ｙｉｓｈａｙ、Ｎｏａｍ Ｎｉｓａｎ及びＰｒａｓｏｏｎ Ｔｉｗａｒｉの「Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｈａｓｈｉｎｇ」、Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ １０７．１（１９９３）、Ｍａ、Ｘｉｏｎｇｆｅｎｇらの「Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｒａｎｄｏｍ－ｎｕｍｂｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ：Ｅｎｔｒｏｐｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ８７．６（２０１３）、及びＸｕ、Ｆｅｉｈｕらの「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｒａｎｄｏｍ ｎｕｍｂｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｐｈａｓｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ ２０．１１（２０１２）を参照されたい。

ランダム性抽出器の例は、Ｔｏｅｐｌｉｔｚハッシュ方法の使用を含む。この実施形態では、ｍ×ｎのＴｏｅｐｌｉｔｚランダムマトリックスＴが構築される。ｎビットのそれぞれの未加工ビットサンプルが、ランダムマトリックスＴを掛けられて、ｍビットのランダムビットサンプルを与える。この場合、ｍは、量子寄与の最小エントロピＨ_∞，Ｑからなんらかの最終的な安全率を減じたものによって与えられ、そして、言うまでもなく、第２ビット数ｍは、ｎビットの未加工ビットサンプルの最小エントロピＨ_∞よりも小さい。この抽出プロセスにおいて、ｎ－ｍビットが廃棄される。

例えば、１００個の１４ビットのソースビットサンプルが互いに連結させられて、１４００に一致する第１ビット数を有する未加工ビット数を形成すると考える。ソースビットサンプルの最小エントロピＨ_∞は、ソースビットサンプル毎に１２．７ビットであってもよい。量子信号の最小エントロピＨ_∞，Ｑは、未加工ビットサンプル毎に１２．５ビットであってもよい。未加工ビットサンプル毎に０．３ビットの安全率を考えると、初期の１４ビットからの１２．２ビットが保持されてもよい。従って、この例では、第２ビット数ｍは、１２００に一致する。留意され得るように、未加工ビット数を形成するように互いに連結されるソースビットサンプルの数、すなわち１００が、保持するべきビットの数、この例では１２．２を掛けられると、整数を生じさせ、それで、ランダム性についての満足のいく品質に関連するビットの損失を回避する。第１ビット数ｎ及び安全率は、必要とされる毎秒のビット速度に及び必要とされる安全レベルに依存して選ばれてもよい。ランダムマトリックスＴが、ｎ＋ｍ－１個のランダムビットのランダムビットシードを用いて発生させられてもよく、当該ランダムビットは、例えば、それぞれの未加工ビットサンプルの最下位ビットを短期間、保持する未加工ビットサンプルからとられてもよい。それは、必要に応じてしばしば再初期化されてもよく、それについての例が、図７を参照して下記で説明される。

典型的な量子トンネル障壁は、約６００ＭＨｚのバンド幅を有すると考えられる。連続する未加工ビットサンプル同士の間の望ましくない相関性を回避するために、サンプリングは、満足のいくアンチエイリアスフィルタが用いられる場合、通常、１２００ＭＳ／ｓのサンプリング速度で実行されてもよい。例えば、サンプリング速度を８００ＭＳ／ｓ及び１４ビットの第１ビット数とすると、これは、１１．２Ｇｂ／ｓの未加工ビットサンプルの発生速度、それで９．６Ｇｂ／ｓのランダムビットサンプルの発生速度を生じさせてもよい。プロトタイプにおいて、１２５ＭＳ／ｓのサンプリング速度が、満足に用いられると、それは１．７５Ｇｂ／ｓの未加工ビットサンプルの生成速度を生じさせる。かかる実施形態における制限特徴は、通常、速度であり、当該速度において、ランダムビットサンプルは、電子デバイスを越えて転送されてもよい。

増幅器は、それが測定する電圧Ｖ_ｉｎに電圧変動ｅ（ｔ）を加えるだけではなく、それの入力に接続されているものに変動電流ｉ（ｔ）を加えてもよく、それで、それの出力において測定された電圧Ｖ_ｏｕｔが、次式で与えられてもよいと考えられ、

Ｖ_out＝Ｇ（Ｖ_in＋ｅ＋Ｒｉ）

ここに、Ｇは、増幅器の実効利得であり、Ｒは、量子トンネル障壁の微分抵抗Ｒ＝ｄＶ／ｄＩである。結果として、増幅器は、＜ｅ^２＞＋Ｒ＜ｅｉ＞＋Ｒ^２＜ｉ^２＞だけ測定された電圧ノイズに寄与してもよい。第１項＜ｅ^２＞は、増幅器の電圧ノイズであり、第３項Ｒ^２＜ｉ^２＞は、接合部の抵抗に入る増幅器の電流ノイズであり、第２項Ｒ＜ｅｉ＞は、電流と電圧ノイズとの間の相関性を含む（そして、通常、無視可能である）。この量は、Ｒがあれば、接合部におけるバイアス電流に依存する。このことが、全ノイズ対バイアス電圧／電流を適合させるとき、考慮に入れられてもよい。したがって、低い電流ノイズを有する増幅器及び／又は第３項Ｒ^２＜ｉ^２＞が第１項＜ｅ^２＞との比較で無視可能であるように十分に低い抵抗を有する接合部を用いることは、増幅器の電流ノイズに概して関連する望ましくない影響を低減してもよい。

図６は、ランダム性抽出器の略図である。この実施形態では、ランダム性抽出器は、先の校正データ及び後の校正データを受け取り、先の校正データと後の校正データとを互いに比較し、次いで、先の校正データが後の校正データと公差値よりも大きく異なるときに警告を発生させる。より詳細には、先の校正データが、第１時点ｔ_１において決定されており、一方、後の校正データが、第２時点ｔ_２において決定されており、それは第１時点ｔ_１の後に続いている。それに応じて、そのように発生させられた警告は、発生させられたランダムビットサンプルが信頼性があるか否かに関する診断を提供してもよい。

例えば、一実施形態では、先の校正データは、ランダムビット発生器の製造中に決定された先の分散データσ_t1 ²（Ｖ）の形式で提供されて決定され、そして、メモリシステムに記憶されてもよい。この実施形態では、後の校正データは、量子トンネル障壁が分散σ_t2 ²を測定しながら作動させられる電圧を変化させることによってリアルタイムで決定される後の分散データσ_t2 ²（Ｖ）の形式で提供されてもよい。

理解されてもよいように、有意な差が先の分散データσ_t1 ²（Ｖ）と後の分散データσ_t2 ²（Ｖ）との間に存在する場合、ランダムビット発生器が、所定の温度範囲外等のいくつかの所定の限度外で用いられていることを示してもよい。それに加えて、かかる差は、また、ランダムビット発生器が、第三者の相手によって修正され／変更されていることを示していることがあり、その場合に、そのように発生させられた警告は、かかる警告の正当性を示してもよい。

理解され得るように、ランダム性抽出器は、かかる診断が所定の頻度で又はオンデマンドでのいずれかで繰り返されるように構成されてもよい。

ここで図７を参照すると、ランダム性抽出は、ランダムビットシードを含んでもよいと考えられる。例えば、この実施形態において、抽出は、ランダムマトリックスを必要としてもよく、当該ランダムマトリクスは、未加工ビットサンプルからランダム性を実際に抽出する前にランダムビットシードを用いて発生させられる。例えば、未加工ビットサンプルは、ランダムマトリックスが掛けられることにより、抽出中にランダムビットサンプルを提供してもよい。初期のシードビットサンプルは、疑似ランダム性だけを有するけれども、結果として生じるランダムビットが、抽出中のシャッフリング及び／又は除去ビットに起因した満足のいくランダム性のものであってもよい。しかし、この実施形態において、ランダム性抽出器は、未加工ビットサンプルをいわゆる疑似ランダムマトリックスに掛けることによってランダムビットサンプルを発生させ、その後に、ランダムマトリックスを発生させるために用いられるランダムビットシードは、そのように発生させられたランダムビットサンプルに置換されてもよい。この場合、第１場所において疑似ランダムであってもよいランダムマトリックスは、迅速にランダムマトリックスになってもよく、当該ランダムマトリックスは、増加したランダム性のランダムビットサンプルを生じさせてもよい。

図８は、ランダムビット発生器を組み込む電子デバイスの例を表す。より詳細には、電子デバイスは、ランダムビット発生器が内部に装着されているハウジングを有する。理解され得るように、電子デバイスは、用途に依存して、スマートフォン、タブレット、電子式クレジット又はデビットカード、ラップトップ、テレビ等であってもよい。更に、いくつかの実施形態では、電子デバイスは、コンピュータ、サーバ等の形式で提供されてもよく、それは、有線及び／又は無線接続を介してインターネット等のネットワークを介してアクセス可能である。

この実施形態に表すように、電子デバイスは、処理ユニット及びメモリシステムを有し、これらは分離しており、ランダムビット発生器に通信可能（例えば、有線及び／又は無線通信）に結合されている。いくつかの別の実施形態では、電子デバイスの処理ユニット及びメモリシステムは、ランダム性抽出器として作動してもよく、その場合には、未加工ビット発生器は、電子デバイスの処理ユニット及び／又はメモリシステムに通信可能に結合されている。

図９は、未加工ビット発生器の例を表す。未加工ビット発生器は、通常、量子トンネル障壁回路がその上に装着されている基板（図示せず）を備える。表すように、未加工ビット発生器の量子トンネル障壁回路は、量子トンネル障壁と、コンデンサと、インダクタと、抵抗と、を含んでもよい。バイアス付与ソースは、量子トンネル障壁が作動させられている電圧を変化させるように提供されている。この例では、量子トンネル障壁回路から生じる未加工信号は、増幅器を用いて増幅させられる。未加工ビットサンプルの流れは、モニタを用いて取得され、当該モニタは、この例では、増幅器から生じる増幅された未加工信号をサンプリングするサンプラの形式で提供される。理解され得るように、量子トンネル障壁回路、バイアス付与ソース、増幅器及びモニタは、基板上に装着可能である。例えば、ボードは、プリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよく、当該ＰＣＢは、機械的に構成要素を支持し、そして、非導電性基板上に積層された銅板からエッチングされた導電性トラックを介して、構成要素を互いに電気的に接続する。

上記のように、量子トンネル障壁は、量子トンネル構成要素の形式で提供されてもよく、当該量子トンネル構成要素は、導体として作用する導電層同士の間に挟まれた１つ又は複数の絶縁体層の形式の量子トンネル障壁を有する。導電層は、例えば、金属材料又は半導体材料でできていてもよく、一方、絶縁体層は、古典的な反射を介してそれを横切る電子（又は正孔）の自由伝導を十分に抑制する任意の材料でできていてもよいことが留意される。絶縁体層は、２つの導電層のうちの対応する１つとそれぞれ接触している２つの外部対向面を有し、そして、２つの導電層は、バイアス付与ソースの第１端末及び第２端末に接続可能であってもよい。バイアス付与ソースは、基板上に装着されて量子トンネル障壁の導電層に固定的に接続されているか、又はそれと分離して提供されているかのいずれかであってもよいことが認識され得る。

この実施形態では、バイアス付与ソースは、量子トンネル障壁が作動させられる電圧を変化させるステップを実行するために用いられてもよい。増幅器は、量子トンネル障壁回路によって提供される未加工信号を増幅させるステップを実行するように適合されてもよい。サンプラは、未加工信号をサンプリングするステップを実行するように適合されてもよく、そして、フィルタは、未加工信号をフィルタリングするステップを実行するように適合されてもよい。フィルタは、量子トンネル障壁に接続されてもよく、そして、順に、増幅器に、次いで、サンプラに接続されてもよい。未加工ビット発生器は、１つが別のものに作動可能に接続されると、未加工信号をモニタリングして未加工ビットサンプルを取得してもよい。更に、バイアス付与ソースは、量子トンネル障壁に適用されるポテンシャルの差を固定してもよい。バイアス付与ソースは、また、未加工ビットサンプルの分散σ（Ｖ）の回路基板に実装された測定を可能にするように変化させられてもよい。

図１０Ａは、別の実施形態に従う、未加工ビット発生器の別の例を表す。理解され得るように、外部寄与の効果を低下させるために、２つの量子トンネル障壁回路を有する差動回路が、いくつかの実施形態では有利に用いられてもよい。示すように、未加工ビット発生器は、差動増幅器を有し、当該差動増幅器は、第１量子トンネル障壁回路及び第２量子トンネル障壁回路によってそれぞれ提供される第１及び第２未加工信号の間の差を増幅させるように構成されている。より詳細には、この例では、第１及び第２量子トンネル障壁は、共通のバイアス付与ソースによってバイアスを付与される。この実施形態では、バイアス付与ソースが用いられて、ＤＣ電流又は電圧を第１及び第２量子トンネル障壁回路に適用する。高域フィルタが、この実施形態において、それぞれの量子トンネル障壁回路内に含まれて、第１及び第２未加工信号内の低周波数成分を除去してもよい。実際に、高域フィルタが用いられて、孤立させること及び検出することを目的とされるＤＣを、未加工信号である有限周波数における変動から分離する。なおこの例では、アナログ－デジタルモニタが提供されて、差動増幅器の出力をモニタリングして、未加工ビットサンプルを提供する。一般的な外部寄与が、かかる構成を用いて抑制されてもよい。

かかる未加工ビット発生器の電気回路が、図１０Ｂに示されている。表すように、バイアス付与ソースは、第１及び第２量子トンネル障壁回路にバイアスを付与するために用いられる電圧Ｖ_０を発生させる。抵抗Ｒが用いられて、第１及び第２量子トンネル障壁によって発生させられたトンネリングした電荷の電流を制限する。インダクタ及び／又はコンデンサは、未加工信号のＡＣ変動からＤＣ成分を分離する。この例では、コンデンサは、高域フィルタとして作用する。この実施形態では、電圧Ｖ_０においてあり得るノイズが、未加工ビット発生器の２つの分岐が互いに対称的であるので、打ち消し合い、端部における測定に影響を及ぼさない。

図１０Ｃは、図１０Ａの未加工ビット発生器の１対の量子トンネル障壁の画像である。表すように、１対の量子トンネル障壁は、フォトリソグラフィ技術を用いる共通の接点を用いて作成されてもよい。示している例において、アルミニウムの第１層（厚さ約２００ｎｍ）が、基板上に堆積させられて、回路の地面に接続されている共通の接点ＧＮＤを作成する。第１層が純酸素を用いて酸化されて、厚さ約１ｎｍの量子トンネル障壁を作成する。アルミニウムの第２層が堆積させられて（厚さ約３００ｎｍ）、接点Ｃ１及び接点Ｃ２を作成する。接点１及び２のそれぞれが、第１層に重複し、その重複が、量子トンネル障壁Ｊ１及びＪ２を画定する。

理解され得るように、上記され示された例は、例示的であることだけが意図されている。いくつかの実施形態では、モニタは、電流の瞬間レベルが変化するときに所定の値を横切る電流の瞬間レベルの横断を識別するように構成されてもよく、そして、２つの連続する横断の間に経過した期間を決定するように構成されてもよい。これらの実施形態では、経過した期間に値が帰属させられて、未加工ビットサンプルを形成する。例えば、モニタは、電流の瞬間レベルが、第１時点においてゼロ値を横断し、次いで、第２時点においてゼロ値を逆に横断することを識別してもよい。したがって、未加工ビットサンプルに帰属された値が、第１時点と第２時点との間の差になり、又はその逆も同じである。サンプラを用いるときと同様に、ソースビットサンプルは、所定の値における瞬時値の通過を識別すること、及び所定の値における電流の瞬間レベルの２つの連続する通過の間に経過した期間を決定することから取得されてもよい。これらの実施形態では、連結器が、同様に用いられてソースビットサンプルを互いに連結させて、未加工ビットサンプルを提供してもよい。範囲は、添付クレームによって示される。

Claims (28)

1. ２つの導体の間に挟まれた絶縁体を備える量子トンネル障壁を用いて、ランダムビットサンプルを発生させるための方法であって、前記方法は、
   前記２つの導体のうちの第１のものから前記２つの導体のうちの第２のものまで、前記絶縁体を横断してトンネリングする電荷の電流を発生させるステップであって、前記トンネリングした電荷の電流は、量子トンネル変動に起因してランダムに変化する瞬間レベルを有し、未加工信号を形成する、ステップと、
   前記未加工信号から、第１ビット数ｎを有する未加工ビットサンプルを取得するステップであって、前記第１ビット数ｎは整数である、ステップと、
   前記未加工ビットサンプルから前記ランダムビットサンプルにランダム性を抽出するステップであって、前記ランダムビットサンプルは、前記第１ビット数ｎよりも小さい第２ビット数ｍを有し、前記抽出するステップは、校正データに基づいており、前記校正データは、
   前記未加工ビットサンプルにおける前記量子トンネル変動の量子寄与値、及び
   前記未加工ビットサンプルにおける外部寄与値
   を少なくとも含む、ステップと、を含み、
   前記抽出するステップは、前記量子トンネル障壁から取得された未加工ビットサンプルの分散を示す分散データから、前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧の関数として前記校正データを決定するステップを含む、方法。
2. 前記第２ビット数ｍは、未加工ビットサンプル毎に保持するべきビットの数に基づいており、前記第２ビット数ｍは、前記量子トンネル変動の最小エントロピに基づいて決定され、前記量子変動の前記最小エントロピは、前記量子寄与値及び前記外部寄与値に依存している、請求項１に記載の方法。
3. 前記分散データは、下記の関係に等価な関係によって与えられ、
   σ²＝Ａ（Ｓ_ｊ＋Ｓ_ext）
   ここに、σ²は前記分散データであり、Ａは前記取得するステップの実効利得であり、Ｓ_ｊは前記未加工ビットサンプルにおける前記量子トンネル変動の前記量子寄与値であり、Ｓ_extは前記未加工ビットサンプルにおける外部寄与値である、請求項１に記載の方法。
4. 前記量子寄与値Ｓ_ｊは、下記の関係に等価な関係によって与えられ、
   

   

   ここに、ｅは電子電荷であり、Ｒは前記量子トンネル障壁の抵抗であり、Ｖは前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは前記量子トンネル障壁が作動させられている温度である、請求項３に記載の方法。
5. 前記外部寄与値Ｓ_extは、下記の関係に等価な関係によって与えられるゼロ電圧における前記分散データσ^２の値のうちの１つから少なくとも決定され、
   

   

   所定の電圧閾値Ｖ_thresよりも大きい電圧Ｖ_iにおける前記分散データσ^２の値は、下記の関係に等価な関係によって与えられてもよく、
   

   

   ここに、ｅは電子電荷であり、Ｒは前記量子トンネル障壁の抵抗であり、Ｖ_iは前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは前記量子トンネル障壁が作動させられている温度である、請求項３に記載の方法。
6. 前記量子トンネル障壁が作動させられている前記電圧を変化させることによって前記分散データを決定するステップと、前記電圧が変化させられるときの前記未加工ビットサンプルの分散を測定するステップと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記分散データは、アクセス可能なメモリシステムから受け取られる、請求項１に記載の方法。
8. 前記校正データは、アクセス可能なメモリシステムから受け取られる、請求項１に記載の方法。
9. 前記抽出するステップは、
   先の時点における前記校正データを示す先の校正データを、後の時点における前記校正を示す後の校正データと比較するステップと、
   前記先の校正データが公差値よりも大きく前記後の校正データと異なるときに、警告を発生させるステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記比較するステップは、前記未加工ビットサンプルの分散を測定しながら、前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧を変化させることによって取得される電流分散データから電流校正データを決定するステップを含み、前記電流校正データは、前記後の校正データに対応する、請求項９に記載の方法。
11. 前記取得するステップは、複数のソースビットサンプルを取得するステップと、前記複数のソースビットサンプルを前記未加工ビットサンプルに連結させるステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記量子トンネル変動の最小エントロピに基づいて、ソースビットサンプル毎に保持するべきビットの数を決定するステップを更に含み、前記未加工ビットサンプルは、所定の数の連結されたソースビットサンプルを含み、前記所定の数は、前記保持するべきビットの数が掛けられると、整数を生じるように決定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記抽出するステップは、前記ランダムビットサンプルを取得するために、初期シードビットサンプルを用いて発生させられたランダムマトリックスに前記未加工ビットサンプルを掛けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記未加工ビットサンプルは第１未加工ビットサンプルであり、前記ランダムビットサンプルは第１ランダムビットサンプルであり、前記方法は、第２未加工ビットサンプルを取得するために前記取得するステップを繰り返すステップと、前記初期シードビットサンプルとして前記第１ランダムビットサンプルの少なくとも部分を用いて、別のランダムマトリックスを発生させるステップと、前記別のランダムマトリックスを用いて、前記第２未加工ビットサンプルにおいて前記抽出するステップを繰り返すステップと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 複数の連続する未加工ビットサンプルを取得するために前記取得するステップを繰り返すステップと、前記未加工ビットサンプルのうちのそれぞれの連続するものにおいて前記抽出するステップを繰り返すステップであって、それによりランダムビットストリームを生成する、ステップと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記取得するステップは、前記未加工信号をサンプリングするステップを含み、そして、前記電流の前記瞬間レベルに値を帰属させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記未加工ビットサンプルは、前記電流の前記瞬間レベルの前記値に対応する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記取得するステップは、前記帰属させるステップからソースビットサンプルを取得するステップを含み、前記ソースビットサンプルは、前記電流の前記瞬間レベルの前記値に対応し、複数のソースビットサンプルを取得するために前記サンプリングするステップを繰り返すステップと、前記複数のソースビットサンプルを前記未加工ビットサンプルに連結させるステップと、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記取得するステップは、前記電流の前記瞬間レベルが変化するときに所定の値を横断する前記電流の前記瞬間レベルの横断を識別するステップと、２つの連続する横断の間に経過した期間を決定するステップと、を含み、そして、前記経過した期間に値を帰属させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
20. 前記取得するステップは、前記帰属させるステップからソースビットサンプルを取得するステップを含み、前記ソースビットサンプルは前記経過した期間に対応し、複数のソースビットサンプルを取得するために前記識別するステップ及び前記決定するステップを繰り返すステップと、前記複数のソースビットサンプルを前記未加工ビットサンプルに連結させるステップと、を更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記未加工信号を増幅させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
22. ランダムビットサンプルを発生させるためのシステムであって、前記システムは、
    ２つの導体の間に挟まれた絶縁体を組み込んでいる量子トンネル障壁を有する量子トンネル障壁回路であって、電荷の電流が、前記２つの導体のうちの第１のものから前記２つの導体のうちの第２のものまで、前記絶縁体を横断してトンネリングし、前記トンネリングした電荷の電流は、量子トンネル変動に起因してランダムに変化する瞬間レベルを有し、未加工信号を形成する、量子トンネル障壁回路と、
    前記未加工信号を受け取り、前記未加工信号から、第１ビット数ｎを有する未加工ビットサンプルを取得するように構成されたモニタであって、前記第１ビット数ｎは整数である、モニタと、
    前記未加工ビットサンプルから前記ランダムビットサンプルにランダム性を抽出するように構成されたランダム性抽出器であって、前記ランダムビットサンプルは、前記第１ビット数ｎよりも小さい第２ビット数ｍを有し、前記抽出するステップは、前記未加工ビットサンプルにおける前記量子トンネル変動の量子寄与値、及び前記未加工ビットサンプルにおける外部寄与値を少なくとも含む校正データに基づいている、ランダム性抽出器と、を備え、
    前記抽出するステップは、前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧の関数として、前記量子トンネル障壁から取得された未加工ビットサンプルの分散を示す分散データから前記校正データを決定する、システム。
23. 前記第２ビット数ｍは、未加工ビットサンプル毎に保持するべきビットの数に基づいており、前記第２ビット数ｍは、前記量子トンネル変動の最小エントロピに基づいて決定され、前記量子変動の前記最小エントロピは、前記量子寄与値及び前記外部寄与値に依存している、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記分散データは、下記の関係に等価な関係によって与えられ、
    σ^２＝Ａ（Ｓ_ｊ＋Ｓ_ext）
    ここに、σ^２は前記分散データであり、Ａは前記取得するステップの実効利得であり、Ｓ_ｊは前記未加工ビットサンプルにおける前記量子トンネル変動の前記量子寄与値であり、Ｓ_extは前記未加工ビットサンプルにおける外部寄与値である、請求項２２に記載のシステム。
25. 前記量子寄与値Ｓ_ｊは、下記の関係に等価な関係によって与えられ、
    

    

    ここに、ｅは電子電荷であり、Ｒは前記量子トンネル障壁の抵抗であり、Ｖは前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは前記量子トンネル障壁が作動させられている温度である、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記外部寄与値Ｓ_extは、下記の関係に等価な関係によって与えられるゼロ電圧における前記分散データσ^２の値のうちの１つから少なくとも決定され、
    

    

    所定の電圧閾値Ｖ_thresよりも大きい電圧Ｖ_iにおける前記分散データσ²の値は、下記の関係に等価な関係によって与えられてもよく、
    

    

    ここに、ｅは電子電荷であり、Ｒは前記量子トンネル障壁の抵抗であり、Ｖ_iは前記量子トンネル障壁が作動させられている電圧であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは前記量子トンネル障壁が作動させられている温度である、請求項２４に記載のシステム。
27. 前記量子トンネル障壁が作動させられている前記電圧を変化させることによって前記分散データを決定するステップと、前記電圧が変化させられるときに前記未加工ビットサンプルの分散を測定するステップと、を更に含む、請求項２２に記載のシステム。
28. 前記未加工信号を増幅させるように構成された増幅器を更に備える、請求項２２に記載のシステム。

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