KR101958757B1 - 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법 - Google Patents

방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법에 관한 것이다.
방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법은, 펄스생성부가 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성하는 단계와, 상기 펄스는 제1펄스, 제2펄스, 제3펄스를 포함하고, 양자 난수 생성 장치의 난수발생부가 상기 제1펄스의 제1펄스폭(pw1)과 상기 제2펄스의 제2펄스폭(pw2)을 비교하는 단계와, 상기 난수발생부가 상기 제1펄스의 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 상기 제2펄스의 제2펄스 세퍼레이션(ps2)을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법{QUANTUM RANDOM NUMBER GENERATING METHOD OF RANDOM PULSE GENERATOR USING ALPHA PARTICLES OF RADIOACTIVE ISOTOPE}
본 발명은 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 발생 방법에 관한 것으로, 특히 방사성 동위원소의 알파 입자가 검출기에 충돌시 발생하는 에너지양에 기초하여 다양한 펄스폭과 펄스 세퍼레이션을 갖는 랜덤 펄스를 생성하고, 생성된 랜덤 펄스를 이용하여 양자 난수를 생성하는 방법에 관한 것이다.
사물인터넷(Internet of Thing)의 보편화에 따라 보안 위협도 높아지고 있으며, 특히 사물인터넷 보안은 사물인터넷 기기에서부터 시스템까지의 전 구간에 대한 단절없는 보안이 필요하다. 보안의 필수적인 요소로서 난수는 예측불가능성, 무편향성, 숫자간 무관성을 만족해야 한다.
정보통신기술이 발전하면서 수학적인 알고리즘으로 만들어내는 유사난수를 사용한 암호화기술은 해킹에 노출될 위험이 크며, 이를 보완하기 위해 자연현상의 무작위성에서 난수를 추출하는 자연난수 발생기가 요청되고 있다.
자연 난수 발생기(True Random Generator)는 열잡음, 전기잡음 등의 자연의 잡음을 이용하는 방법과 양자역학적 성질을 이용하는 방식으로 구분되며, 양자역학적 성질을 이용한 난수 발생기(Quantum Random Number Generator)는 빛의 랜덤성을 이용한 방식과 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상을 이용한 방식으로 구분된다.
한편 종래기술로서 대한민국 등록특허 10-1133483호는 랜덤 펄스 생성기를 이용한 인증 장치 및 인증방법에 관한 것으로, 난수 발생기는 펄스간의 주기를 측정하여 펄스 주기간의 간격의 랜덤성을 이용하여 난수를 발생한다. 그러나 이러한 방법은 신속하게 보다 많은 난수를 요구하는 시스템에서 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 방사성 동위원소가 분열할 때 발생하는 알파입자를 검출하여, 검출 시 알파입자들이 가지고 있는 에너지양에 따라 달라지는 랜덤펄스의 펄스폭을 이용하여 난수를 생성하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법은 펄스생성부가 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성하는 단계와, 상기 펄스는 제1펄스, 제2펄스, 제3펄스를 포함하고, 양자 난수 생성 장치의 난수발생부가 상기 제1펄스의 제1펄스폭(pw1)과 상기 제2펄스의 제2펄스폭(pw2)을 비교하는 단계와, 상기 난수발생부가 상기 제1펄스의 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 상기 제2펄스의 제2펄스 세퍼레이션(ps2)을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스를 생성하는 단계는 하나 이상의 알파입자가 검출부에 충돌하여 발생하는 에너지양에 대응하여 상기 펄스의 펄스폭이 결정될 수 있다.
상기 펄스 세퍼레이션을 비교하는 단계에서 상기 제1펄스 세퍼레이션(ps1)은 상기 제1펄스의 하강 에지와 상기 제2펄스의 상승 에지의 간격이고, 상기 제2펄스 세퍼레이션(ps2)은 상기 제2펄스의 하강 에지와 상기 제3펄스의 상승 에지의 간격일 수 있다.
상기 펄스폭을 비교하는 단계는, 상기 제1펄스폭이 상기 제2펄스폭보다 크면 1을 출력하고, 작으면 0을 출력할 수 있다.
상기 펄스 세퍼레이션을 비교하는 단계는, 상기 제1펄스 세퍼레이션이 상기 제2펄스 세퍼레이션보다 크면 1을 출력하고, 작으면 0을 출력할 수 있다.
상기 펄스폭과 펄스 세퍼레이션을 비교하는 단계를 반복하여 각각의 펄스폭과 펄스 세퍼레이션을 비교하여 출력된 값을 이용하여 난수열을 생성할 수 있다.
방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치에 있어서, 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성하는 펄스생성부와, 상기 펄스는 제1펄스, 제2펄스, 제3펄스를 포함하고, 상기 제1펄스의 제1펄스폭(pw1)과 상기 제2펄스의 제2펄스폭(pw2)을 비교하고, 상기 제1펄스의 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 상기 제2펄스의 제2펄스 세퍼레이션(ps2)을 비교하여 난수열을 생성하는 난수생성부를 포함한다.
본 발명에 의한 양자 난수 발생 방법은 기존의 자연 난수 발생기에서 펄스간의 주기의 랜덤성을 이용하여 난수를 발생시키는 방법보다 신속하게 난수를 발생할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양자 난수 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치의 펄스 출력을 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양자 난수 열을 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치를 구성하는 회로도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양자 난수 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 방사성 동위원소의 자연붕괴시 발생하는 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법은, 먼저 펄스생성부(130)가 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성한다(S110). 이때 방사성 동위원소 방출부(110)로부터 방출된 하나 이상의 알파입자가 검출부(120)에 충돌하여 발생하는 에너지양에 대응하여 상기 펄스의 펄스폭이 결정될 수 있다. 다시 말해, 서로 다른 에너지양을 가진 하나 이상의 알파입자가 검출부에 충돌하거나, 동일한 에너지양을 가진 하나 이상의 알파입자가 검출부에 충돌함에 따라 발생하는 상이한 에너지양에 기초하여 펄스폭이 랜덤한 펄스를 생성할 수 있다. 즉, 랜덤한 펄스폭은 검출부에 충돌하게 되는 랜덤한 알파입자 수와 각각의 파티클의 에너지양을 곱한 값일 수 있다.
이후에, 난수발생부(140)는 생성된 펄스의 제1펄스폭과 제2펄스폭을 비교한다(S120). 상기 펄스는 다수개의 펄스들을 포함할 수 있고, 제일 먼저 생성된 펄스를 제1펄스로 정의하고, 순차적으로 발생하는 인접한 펄스들을 제2펄스, 제3펄스, 제n펄스로 정의하여 각각의 펄스폭을 순차비교할 수 있다.
예컨대, 난수생성부(140)는 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 크면 난수 '1'을 출력하고, 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 작으면 난수 '0'을 출력한다. 실시예에 따라 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 크면 난수 '0'을 출력하고, 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 작으면 난수 '1'을 출력할 수 있다. 즉, 사용자의 정의에 따라 난수 생성값을 달리 설정할 수 있다.
이후에, 난수생성부(140)는 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 제2펄스 세퍼레이션(ps2)를 비교한다(S140). 제1펄스 세퍼레이션(ps1)은 제1펄스의 하강 에지와 제2펄스의 상승 에지의 간격이고, 제2펄스 세퍼레이션(ps2)은 제2펄스의 하강 에지와 제3펄스의 상승 에지의 간격을 말한다.
난수생성부(140)는 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2펄스 세퍼레이션(ps2)보다 크면 난수 '1'을 출력하고, 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2펄스 세퍼레이션(ps2)보다 작으면 난수 '0'을 출력한다. 실시예에 따라 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2v퍼펄스펄스 세퍼레이션(ps2)보다 크면 난수 '0'을 출력하고, 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2펄스 세퍼레이션(ps2)보다 작으면 난수 '1'을 출력할 수 있다. 즉, 사용자의 정의에 따라 난수 생성값을 달리 설정할 수 있다.
난수생성부(140)는 인접한 펄스들을 순차적으로 펄스폭과 펄스 세퍼레이션을 각각 비교하여 각각의 난수열을 생성한다(S160). 즉, S120 단계 내지 S153 단계를 반복적으로 수행하여 난수열을 생성할 수 있다.
이러한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 발생 방법은 기존의 자연 난수 발생기에서 펄스간의 주기의 랜덤성을 이용하여 난수를 발생시키는 방법보다 최소 2배 이상으로 신속하게 난수를 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치의 펄스 출력을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 펄스생성부(130)는 알파 입자에 의해 검출부(120)가 브레이크 다운되면 역방향 전류가 발생하여 펄스가 발생하며, 브레이크 다운된 시간은 상기 펄스의 펄스폭에 직접적으로 영향을 미치고, 이를 별도의 후처리 과정없이 그대로 출력하여 각 펄스의 랜덤한 펄스폭과 펄스세퍼레이션의 변화를 이용하여 난수를 발생할 수 있다.
펄스폭의 랜덤성은 방사성 동위원소가 분열하며 방출하는 각각의 알파입자가 가지는 에너지양(electron volt)과 충돌하는 알파입자의 수의 상이함에 기인한다. 주기가 T1인 제1펄스는 제1펄스폭(pw1)과 제1펄스 세퍼레이션(ps1)으로 구성된다. 주기가 T2인 제2펄스는 제2펄스폭(pw2)과 제2펄스 세퍼레이션(ps2)으로 구성된다. 즉, 각각의 펄스는 펄스폭과 펄스 세퍼레이션이 랜덤성을 가진다.
펄스 세퍼레이션의 랜덤성은 양자 물리학적 근거에 의해 방사성 동위원소가 분열하는 시간은 절대적으로 랜덤함에 기인한다. 방사성동위원소가 랜덤한 시간 단위로 분열하며, 분열된 알파 파티클이 검출기에 도달하는 시간차에 대한 구간이기 때문에 절대적으로 랜덤성이 보장된다. 알파 파티클의 분열은 무작위적인 과정(Stochastic process 또는 random process)이기 때문에 언제 분열할지 예측하는 것은 불가능하다. 따라서, 에너지양에 따라 랜덤하게 변하는 펄스폭을 측정하고 비교하여 난수 생성에 대한 알고리즘 소스로 사용한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양자 난수 열을 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서 설명한 양자 난수 생성 방법을 다른 방식으로 도시하여 양자 난수 열을 생성하는 방법을 설명한다. 랜덤 펄스가 발생하면(S310), 펄스폭들을 순차적으로 비교하여 제1난수열을 생성하고(S320 내지 S340), 펄스 세퍼레이션들을 순차적으로 비교하여 제2난수열을 생성한다(S350 내지 S370).
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 펄스 발생 장치를 구성하는 회로도이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 랜덤 펄스 발생 장치(10)는 방사성 동위원소 방출부(110), 검출부(120), 펄스생성부(130), 난수생성부(140)로 구성된다.
방사성 동위원소 방출부(110)는 원자핵의 자연 붕괴시 방출되는 알파입자를 방출할 수 있다. 상기 알파입자는 자연적으로 붕괴하는 Am241일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. 예컨대, 상기 알파 입자는 우라늄의 방사물인 Pb210 동위원소, Cm244 , Po210중 적어도 하나일 수 있다.
검출부(120)는 방사성 동위원소 방출부(110)로부터 방출된 알파입자와 충돌할 수 있고, 충돌시 이벤트를 검출할 수 있다. 즉, 알파입자와의 충돌에 따라 상기 검출부가 브레이크다운 영역이 되어 역방향 전류가 발생한다.
펄스생성부(130)는 검출부(120)에 역방향 전류가 흘러 증폭기에 양의 값이 출력된다. 즉, 상기 알파입자가 검출부(120)에 충돌을 반복하면서 랜덤한 펄스가 발생할 수 있다. 알파입자가 검출부(120)에 충돌하지 않으면, 증폭기의 출력이 기저상태를 유지한다. 이후에, 증폭기를 통해 생성된 펄스의 상승에지를 트리거신호나 이벤트 신호로 사용한다. 즉, 상기 단계를 반복하여 펄스를 생성한다. 생성된 펄스의 펄스폭은 하나 이상의 알파입자가 검출부에 충돌하여 발생하는 에너지양에 대응하여 결정될 수 있다.
난수생성부(140)는 생성된 펄스의 펄스폭과 펄스 세퍼레이션들을 각각 순차비교하여 난수열을 생성할 수 있다.
예컨대, 난수생성부(140)는 펄스의 제1펄스폭과 제2펄스폭을 비교하고, 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 크면 난수 '1'을 출력하고, 제1펄스폭(pw1)이 제2펄스폭(pw2)보다 작으면 난수 '0'을 출력할 수 있다. 사용자의 정의에 따라 난수 생성값을 달리 설정할 수 있다.
난수생성부(140)는 펄스의 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 제2펄스 세퍼레이션(ps2)를 비교하고, 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2펄스 세퍼레이션(ps2)보다 크면 난수 '1'을 출력하고, 제1펄스 세퍼레이션(ps1)이 제2펄스 세퍼레이션(ps2)보다 작으면 난수 '0'을 출력할 수 있다. 즉, 사용자의 정의에 따라 난수 생성값을 달리 설정할 수 있다.
즉, 난수생성부(140)는 인접한 펄스들을 순차적으로 인접한 펄스폭과 펄스 세퍼레이션을 각각 비교하여 각각의 난수열을 생성한다(S160). 즉, S120 내지 S153을 반복적으로 수행하여 난수열을 생성할 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 검출부(포토다이오드)에 알파 입자가 충돌하면 브레이크 다운된 시간 동안 랜덤 신호원(①)이 발생하고, 커패시터(C11), 저항(R11), 증폭기를 이용하여 발생한 랜덤 신호를 VR 전압으로 컷오프한 신호를 생성하고(②), 커패시터(C12), 저항(R12), 증폭기를 이용하여 컷오프 신호를 비교기에 입력하기 위해 증폭하고(③), 비교기를 이용하여 구형파 출력할 수 있다(④).
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10; 랜덤 펄스 발생 장치
110; 방사성 동위원소 방출부
120; 검출부
130; 펄스생성부
140; 난수생성부

Claims (7)

  1. 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치의 양자 난수 생성 방법에 있어서,
    (a) 펄스생성부가 방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성하는 단계;
    (b) 상기 펄스는 제1펄스, 제2펄스, 제3펄스를 포함하고, 양자 난수 생성 장치의 난수발생부가 상기 제1펄스의 제1펄스폭(pw1)과 상기 제2펄스의 제2펄스폭(pw2)을 비교하는 단계;
    (c) 상기 난수발생부가 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 제2펄스 세퍼레이션(ps2)을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 하나 이상의 알파입자가 검출부에 충돌하여 발생하는 에너지양에 대응하여 상기 펄스의 펄스폭이 결정되는 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 제1펄스 세퍼레이션(ps1)은 상기 제1펄스의 하강 에지와 상기 제2펄스의 상승 에지의 간격이고, 상기 제2펄스 세퍼레이션(ps2)은 상기 제2펄스의 하강 에지와 상기 제3펄스의 상승 에지의 간격인 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 제1펄스폭이 상기 제2펄스폭보다 크면 1을 출력하고, 작으면 0을 출력하는 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 제1펄스 세퍼레이션이 상기 제2펄스 세퍼레이션보다 크면 1을 출력하고, 작으면 0을 출력하는 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    (d) 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계를 반복하여 각각의 펄스폭을 비교하여 출력된 값 및 각각의 펄스 세퍼레이션을 비교하여 출력된 값을 이용하여 난수열을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 난수 생성 방법.
  7. 방사성 동위원소의 알파입자를 이용한 랜덤 펄스 발생 장치에 있어서,
    방사성 동위원소의 자연붕괴 현상에서 발생하는 알파입자에 의해 랜덤한 펄스폭을 가지는 펄스를 생성하는 펄스생성부;
    상기 펄스는 제1펄스, 제2펄스, 제3펄스를 포함하고, 상기 제1펄스의 제1펄스폭(pw1)과 상기 제2펄스의 제2펄스폭(pw2)을 비교하고, 제1펄스 세퍼레이션(ps1)과 제2펄스 세퍼레이션(ps2)을 비교하여 난수열을 생성하는 난수생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 펄스 발생 장치.
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