KR101985492B1 - 양자 노이즈 기반 난수생성장치 - Google Patents

양자 노이즈 기반 난수생성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 개시한다.

Description

양자 노이즈 기반 난수생성장치{APPARATUS FOR GENERATING RANDOM NUMBER BASED ON QUANTUM SHOT NOISE}
본 발명은 광원으로부터 방사되는 광신호를 기반으로 추출되는 양자를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성장치에 관한 것이다.
난수(random number)는 보안, 과학적 계산, 게임, 복권 등의 다양한 분야에 필요로 하고 있으며, 현재 대부분의 경우에는 순수난수(True random number)가 아닌 알고리즘 기반으로 생성되는 의사난수(Pseudo-random number)가 사용되고 있다.
하지만, 의사난수는 특정한 패턴을 가지고 있으므로 장시간 동안 생성되는 비트열을 관찰한다면 생성되는 비트열의 패턴이 도출될 가능성이 높아 난수가 가져야 할 근본적인 특성 중의 하나인 예측불가능성이 크게 훼손된다. 특히, 이러한 의사난수가 암호통신을 비롯한 보안분야에 사용된다면 보안성이 취약해지는 매우 심각한 문제를 초래하게 된다.
전술의 문제점을 해결하기 위해, 의사난수가 아닌 순수난수를 생성하는 순수난수 생성기(True random number generator)에 대한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다. 그 중 양자 현상을 이용하여 순수난수를 생성하는 양자 난수 생성기(Quantum random number generator)는 자연현상에 존재하는 완벽한 난수성을 이용하여 랜덤 비트열을 생성하는 기술이다.
이러한 양자난수 생성기를 구성하는 하나의 방법으로 광원이 가지고 있는 광자 수의 불확정도인 샷 노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 이용하는 방법을 생각해 볼 수 있는데, 여기서 광원이 가지고 있는 광자 수의 불확정도는 빛의 입자적 특성에 의해 나타난다.
이처럼 광원이 가진 가장 근원적인 노이즈 중의 하나인 광자 수에 대한 샷노이즈에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성장치를 구현함에 있어, 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 CMOS 센서 또는 CCD 센서 등과 같은 이미지 센서를 이용하는 기술이 최근 등장하였다(논문: Physical Review X, 4, 031056 (2014) 참고).
그러나, 일반적인 경우, 카메라 모듈 내 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 균일하지 못하다. 이로 인해 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해져 난수생성장치의 구현에 어려움이 발생한다.
샷노이즈 기반의 난수생성기는 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값을 난수로 사용하는데, 이 광세기 값의 변동(fluctuation)이 난수성(randomness)의 근원이 된다. 특히, 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값은 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖는다. 이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다.
따라서, 이미지 센서의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.
참고로, 이미지 센서를 이용하여 이미지 센서에 입력되는 광신호의 크기를 측정하는 경우, 각 픽셀은 소정의 시간 동안 픽셀에 입력되는 광자 수의 누적 값에 해당하는 신호를 출력한다. 여기서, 시간-평균 광세기값은, 소정의 시간에 대한 광신호의 크기를 측정하는 행위를 서로 다른 시간에 대해 충분히 여러 번 반복하여 얻어진 출력 신호의 평균 값을 의미한다.
즉, 샷노이즈에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성장치를 구현함에 있어 이미지 센서를 이용하는 경우, 각 픽셀들에 입력되는 광세기에 대한 시간-평균 값들의 분포는 광원의 공간적 광세기 분포에 대응되며, 모든 픽셀에 대한 우수한 난수성 확보를 위해서는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값이 균일한 것이 바람직하다.
이에 본 발명에서는, 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 하는 난수생성장치를 구현하고자 한다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 도달하고자 하는 목적은, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 난수생성장치는, 적어도 하나의 광원; 상기 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부; 및 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광신호를 확산시키는 광확산부를 포함한다.
구체적으로, 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 광확산부는, 난반사 성질을 가지는 확산물질이며, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나의 광원은, 개별적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하며, 상기 적어도 하나의 광원 중 일부 광원이 온(on) 동작하도록 제어되어 상기 각 픽셀에서의 난수성(randomness)이 기준 이하의 품질이 되는 경우, 나머지 광원 중 적어도 하나의 광원은 온(on) 동작하도록 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나의 광원이 다수의 광원으로 이루어지는 경우, 상기 다수의 광원은 상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 수광픽셀의 상부에 위치하여, 상기 수광픽셀로 입력되는 광신호를 확산시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나의 광원이 상기 광검출부와 동일 기판에 배치되는 경우, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 수광픽셀의 상부에 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 상기 수광픽셀로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나의 광원은, 상기 기판에 광원의 일부분이 매몰되도록 매몰(Embedded) 결합될 수 있다.
구체적으로, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원에 전원을 공급하기 위해 상기 기판에 결합된 전원공급수단에 의해 지지될 수 있다.
구체적으로, 상기 광확산부의 확산물질은, 상기 수광픽셀의 상부 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 상기 광검출부가 배치된 기판에 상기 광검출부를 패키징(Packaging)하는 구조로 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 적어도 하나의 광원은, 상기 광검출부와 동일 기판에 배치되는 경우, 상기 광확산부의 확산물질로 이루어진 패키징 구조 내에 위치하며, 상기 광검출부가 배치된 기판에 대향되는 상단 기판에 배치되는 경우, 상기 광확산부의 확산물질로 형성된 패키징 구조 밖에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 난수생성장치는, 적어도 두 개의 광원; 상기 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 하나 이상의 광검출부; 및 상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 광원에서 각각 방사된 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때, 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 광검출부를 중심으로 상기 적어도 두 개의 광원이 대칭적으로 배치되도록 하거나, 또는 상기 적어도 두 개의 광원과 상기 광검출부 사이에 광확산부가 배치되도록 한다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치 및 난수생성장치의 동작 방법에 의하면, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 하여, 엔트로피가 우수한 난수를 얻을 수 있는 효과를 도출한다.
도 1은 난수생성장치의 기본 구성원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 3은 난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 생각해 볼 수 있는 다른 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 4는 난수생성장치에서 광량을 검출하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 다수 광원의 구현 방식을 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 예시들을 보여주는 예시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 일례 및 이미지 센서의 각 픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 일례 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 다른예 및 이미지 센서의 각 픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치(이하, 양자난수생성장치)와 관련된다.
양자난수생성장치는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값, 즉 광량을 균일하게 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성한다.
이러한 양자난수생성장치는, 양자난수생성기(Quantum Random Number Generator, QRNG)일 수 있으며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.
본 발명은, 양자난수생성장치의 성능 향상을 위한 하드웨어적인 구성과 관련된다. 특히, 본 발명은 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황 및 외부 광 개방이 원천적으로 불가능한 밀폐구조를 갖는 상황을 고려하여, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 입력될 수 있도록, 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 양자난수생성장치에 관련된다.
다시 말해, 본 발명은 양자난수생성장치를 제작할 때, 칩 또는 모듈 형태로 소형화 및 대량 생산하기 위한 하드웨어적인 구성에 관한 것이다.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 난수생성장치를 제작함에 있어 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 기본 방안에 대해 간단히 설명하도록 하겠다.
먼저, 도 1을 참고하여 난수생성장치의 기본 구성원리에 대하여 설명하도록 하겠다.
도 1에 도시한 바와 같이, 난수생성장치는, 광원(10)으로부터 방사되는 광신호를 검출부(20)를 통해 검출하며, 검출되는 광량의 광자 수에 대한 샷노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성하게 된다. 도 1과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)에서 확인할 수 있다.
광원(10)은, 광자를 방사하며, 예컨대 다수의 광자로 이루어진 광신호를 연속적으로 방사할 수 있다.
이러한 광원(10)은, 레이저(laser) 등과 같은 간섭광(coherent light) 또는 LED(light emitting diode) 등과 같은 혼돈광(chaotic light)일 수 있다. 만일, 광원(10)으로 LED가 사용되는 경우, 양자 노이즈 특성이 유지될 수 있도록 설정된 임계범위 내에서 적정 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
검출부(20)는, 이미지 센서(21)가 장착된 카메라 모듈일 수 있으며, 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성한다.
이때, 이미지 센서(21)는, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 및 CCD(charge coupled device) 센서 등을 포함하며, 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출할 수 있다면 다른 유사 센서들로도 구성될 수 있다.
이러한, 검출부(20)는, 이미지 센서(21)에서 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압을 증폭기(22)를 통해 증폭한 다음 ADC(analog-digital converter)(23)를 통해 디지털 출력, 즉 난수(30)를 생성한다.
이처럼 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수(30)를 생성하는 경우, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기 값이 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖게 된다.
이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성(randomness)은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다.
따라서, 이미지 센서(21)의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는, 각 픽셀로 입력되는 시간-평균 광세기값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.
즉, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들의 출력값은 각 픽셀들로 입력되는 광세기에 대응되므로, 출력값이 갖는 통계적 특성이 각 픽셀마다 상이하게 되면, 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해질 뿐만 아니라, 특정 픽셀에서는 동일한 난수값이 다른 픽셀에 비해 집중적으로 생성될 수 있어 모든 픽셀이 우수한 난수성을 동일하게 유지하기 어렵게 된다.
이처럼, 난수생성장치의 구현 복잡도를 감소시키고, 각 픽셀로부터 우수한 품질의 난수열을 생성하는 데에 있어서, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하는 것이 매우 중요하며 이는 난수생성장치의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.
이처럼 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일하게 입력되는 것이 매우 중요함에도 불구하고, 점차 소형화되어 가는 난수생성장치의 하드웨어적인 구현 크기의 제약으로 인해, 기판(PCB) 구성을 단순화하기 위한 방안이 주로 제안되고 있을 뿐이다.
이하에서는, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 제작할 때 고려해 볼 수 있는 방안들에 대해 설명하도록 하겠다.
난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 첫 번째 구현방안으로, 도 2와 광원(10)과 이미지 센서(21)가 서로 마주보도록 구현하는 것을 고려해볼 수 있다.
첫 번째 구현방안에 의해 난수생성장치를 생성하기 위해서는, 광원(10)으로부터 방사된 광신호가 최대한 넓게 분산되도록 구성해야 하며, 이미지 센서(21) 내 최대한 많은 픽셀들이 유사한 개수의 광량을 검출할 수 있도록 하기 위해, 광원(10)과 이미지 센서(21)의 간격을 제한하거나 또는 이미지 센서(21)의 크기를 제한한다.
또한, 광원(10)을 배치하기 위한 상부기판(Top PCB)(40)과, 이미지 센서(21)를 배치하기 위한 하부기판(Bottom PCB)(50)을 각각 구분하여 사용해야 하므로 제조 공정이 복잡해지며, 그로 인해 비용 절감 및 소형화를 기대하기 힘든 문제점이 발생하게 된다.
즉, 첫 번째 구현방안에 의해서는 난수생성장치의 기판 구성을 단순화하여 구현하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작하기 위해 생각해 볼 수 있는 두 번째 구현방안으로, 도 3과 같이 하나의 기판상(60)에 광원(10)과 이미지 센서(21)를 배치하되 별도의 광도파로(light wave guide)(70)를 추가하는 구성을 고려해 볼 수도 있다. 도 3과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)의 저자에 의해 QCrypt 2014 학회에서 소개된 바 있다.
그러나, 두 번째 구현방안과 같이 광도파로(70)를 별도로 추가하는 배치 방안은 제조 공정상의 복잡성 및 그로 인한 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 광원(10)으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없는 한계점은 여전히 가질 것으로 예상된다.
전술과 같이 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 생각해 볼 수 있는 첫 번째 및 두 번째 구현방안은 모두, 제조 상의 복잡성 측면이나 광신호의 시간-평균 광세기값 균일성 측면에서 만족스럽지 못한 수준이다.
이에 본 발명에서는, 양자난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 소형화 및 대량 생산하되, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있도록, 하드웨어적인 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 방안을 제안하고자 한다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 하나의 광원을 이용하는 양자난수생성장치를 언급하여, 광량을 검출하는 일례를 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.
도 4에서는 하나의 광원(10)을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하였다.
이처럼 양자난수생성장치가 하나의 광원(10)에 의해 구현되는 경우, 광원(10)으로부터 광신호가 방사되면, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 입력되는 시간-평균 광세기값은 광원에서 방사되는 광신호의 공간적 광세기 분포에 의해 결정된다.
이때, 공간적으로 다른 위치에 배치되어 있는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값들의 공간적인 분포는 광소자 공정 방식에 따라 천차만별인데, 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 합, cosine power의 합 등으로 표현되기도 한다. 이와 관련된 기술은 February 2008/Vol.16, No.3/OPTICS EXPRESS 1808에서 확인할 수 있다. 그렇지만, 많은 경우, 하나의 피크(peak)를 갖는 가우시안 분포를 따르기 때문에 본 발명은 가우시안 분포를 예를 들어 기술한다.
가우시안 분포의 중심축(80)에 대응하여 위치하는 이미지 센서(21) 내적어도 하나의 픽셀(pi1)은, 중심축(80)에서의 가우시안 분포에 따라 평균적으로 최대의 광량, 즉 광세기에 대한 시간-평균(time-average) 값 중 가장 큰 값을 입력 받게 된다. 그러나, 픽셀(pi1)을 제외한 나머지 픽셀(pi2)은 중심축(80)을 중심으로 대칭적으로 감소하는 가우시안 분포에 대응되는 점차 감소하는 광량을 입력 받게 된다.
이에, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 서로 상이하게 되어, 평균적으로 서로 상이한 광량을 검출하게 되는 것이다.
이처럼, 하나의 광원(10)에 의해 양자난수생성장치가 구현되면, 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르는 광신호의 시간-평균 광세기값에 따라 이미지 센서(21)의 각 픽셀들(pi1, pi2)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 하기 위한, 다양한 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 제시한다.
이하에서는, 도 5 내지 도 13을 참조하여, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.
본 발명에서는, 다수의 광원을 이용해 양자난수생성장치를 구현하는 경우, 도 5의 (A)에 도시한 바와 같이, 광원으로 사용되는 LED가 전광효과를 제공하는 p-n 접합 다이오드이므로 여러 개의 광원을 직렬로 연결하여, 용이하게 확장 구현할 수 있는 LED 특성을 이용한다. 이러한 LED 특성을 이용하여 별도의 복잡한 회로 구성을 추가하지 않고도 다수의 광원(101-10n)을 단순하게 직렬로 연결할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 직렬로 연결되는 다수의 광원(101-10n)에 의해 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있는 양자난수생성장치를 구현할 수 있다.
따라서, 기존 하나의 광원을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하기 위해 별도로 광도파로(light wave guide)를 추가하는 방안과 비교할 때, 하드웨어적인 구조를 보다 단순화시킬 수 있다. 따라서 보다 용이하게 칩 또는 모듈 형태로 소형화할 수 있게 된다.
물론, 본 발명에서는, 다수의 광원을 이용해 양자난수생성장치를 구현하는 경우, 도 5의 (B)의 예와 같이, 각 광원을 병렬로 연결하여, 각각의 LED에 인가되는 전류량을 독립적으로 제어할 수도 있다.
전술의 LED 특성에 따라 구현된 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(200)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 광원관리부(210) 및 난수생성부(220)를 포함한다.
광원관리부(210)는, 적어도 하나의 광원을 포함하는 광원부(211), 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부(212), 및 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시키는 광확산부(213)를 포함한다.
본 발명의 양자난수생성장치(200)는, 광원을 이용하는 것을 기본으로 하지만, 이 외에도 반사변, 광검출부 등과 같은 다양한 구성이 함께 이용되어 구현된다. 이처럼 다양한 구성들의 조합에 의해 양자난수생성장치(200)가 구현되는 경우에는, 구현 환경에 따라 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.
즉, 양자난수생성장치(200)의 구현 환경에 따라, 광신호가 전파되는 공간이 협소해지거나, 광검출부의 픽셀의 크기가 상이하거나, 픽셀 어레이(array)의 레졸루션(resolution)이 상이하거나, 광검출부의 크기(높이)가 상이하게 되는 등의 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.
이러한 제약 사항들로 인해, 광검출부 내 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀) 중 광원에 가까운 특정영역으로 입력되는 광세기가 상대적으로 커지질 수 있다. 즉, 양자난수생성장치(200)의 구현 환경에 따라, 특정영역으로 광세기가 집중되는 문제가 발생할 수 있는 것이다.
양자난수생성장치(200)는, 이러한 문제를 해소하기 위한 구성으로서, 광원 즉 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀로 입력될 때, 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시키는 광확산부(213)를 채택하는 것이다.
난수생성부(220)는, 각각의 수광픽셀이 검출한 광세기값, 즉 양자 노이즈를 디지털로 변환한 값을 이용하여 난수를 생성한다.
이하에서는, 광원관리부(210)에 대하여 구체적으로 설명하겠다.
광원부(211)는, 하나의 광원(이하, 단일 광원)을 포함할 수도 있고, 다수의 광원을 포함할 수도 있다.
광원부(211)는, 제작하려는 양자난수생성장치의 크기 및 성능에 따라 단일 광원, 또는 2개 이상의 다수 광원을 구비할 수 있다. 이때, 광원의 개수는 제한되지 않는다.
이때, 광원부(211)가 다수의 광원을 포함하는 경우, 광원부(211)는, 다수의 광원으로서 홀수 개(예: 3,5...개)의 광원을 포함할 수도 있고, 짝수 개(예: 2,4...개)의 광원을 포함할 수도 있다.
그리고, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 다수의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광검출부(212)를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
이때, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 광검출부(212)와 동일 기판에 배치될 수 있고, 이 경우 광검출부(212)과 동일 기판에서 광검출부(212)를 중심으로 대칭된다.
한편, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 광검출부(212)가 배치된 기판에 대향되는 상단 기판에 배치될 수 있고, 이 경우 광검출부(212)과 마주하는 상단 기판에서 광검출부(212)를 중심으로 대칭된다.
물론, 광원부(211)가 하나의 광원(이하, 단일 광원)을 포함하는 경우에도, 광원부(211)에 포함되는 단일 광원은, 광검출부(212)와 동일 기판에 배치될 수 있고, 광검출부(212)와 마주하는 상단 기판에 배치될 수 있다.
다만, 설명의 편의를 위해, 광원부(211)가 다수의 광원을 포함하고, 더 구체적으로는 광검출부(212)를 중심으로 대칭적으로 배치되는 2개의 광원을 포함하는 것으로 가정하여 설명하겠다.
그리고, 본 발명에서는, 다수의 광원 각각에 의해 방사되는 광신호가 동일한 것으로 가정한다.
이하에서는, 도 7을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자난수생성장치(210A)의 배치 구조를 설명한다.
도 7에 도시된 실시예의 경우 광원부(211)는, 적어도 하나의 광원을 포함하고, 다만 설명의 편의 상 광검출부(212)를 기준으로 2개의 광원(211a, 211b)이 대칭으로 배치된 것으로 가정한다.
광검출부(213)는, 전술에서 언급한 CMOS 및 CCD 센서 등과 같은 이미지 센서일 수 있다.
이러한, 광검출부(212)는, 각 광원(211a,211b)으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀)(2121)을 포함한다.
이러한 광원부(211) 및 광검출부(212)는, 양자난수생성장치(210A)의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 동일 기판(214) 상에 배치될 수 있다.
이처럼, 양자난수생성장치의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 기판(214) 상에 광원부(211)와 광검출부(212)를 배치하여 칩 또는 모듈 형태 제작하게 되면, 칩 또는 모듈 케이스의 커버면(215)에 의해 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 자연스럽게 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력될 것이다.
그러나, 전술에서도 언급하였듯이, 다양한 구성의 조합에 의해 양자난수생성장치가 생성되는 경우에는 구현 환경에 따라 발생하는 제약 사항들로 인해 특정영역으로 광세기가 집중될 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는, 광원관리부(210)에 난반사를 유도할 수 있는 광확산부(213)를 추가하여 양자난수생성장치를 구현한다.
광확산부(213)는, 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 광검출부(212)의 수광픽셀(2121)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치하여, 광신호가 광검출부(212)로 전파되는 과정에서 난반사를 유도하는 기능을 갖는다.
전술한 바와 같이, 수광픽셀(2121)이 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 이미지 센서(예: CMOS 센서 또는 CCD 센서)인 경우, 수광픽셀(2121)의 수광면 상부에는 수광픽셀(2121)을 덮는 형태로 유리물질이 배치(또는 도포)되고 있다.
이 경우라면, 본 발명에서는, 수광픽셀(2121)의 상부에 있는 유리물질을 제거하고, 대신 광확산부(213)의 확산물질을 배치(또는 도포)할 수도 있다.
이러한 광확산부(213)는, 난반사 성질을 가지는 확산물질 예컨대 아크릴 소재의 디퓨저(diffuser)일 수 있으며, 그 형태(고체, 기체, 액체)가 무엇인지에 관계 없이 해당 형태에 적합한 배치방식을 기반으로 광원관리부(210)에 배치될 수 있다.
도 7에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213A)의 확산물질은, 동일 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 양자난수생성장치(210A)의 케이스 내부에서 광원부(211) 및 광검출부(212)가 배치된 공간을 제외한 나머지 공간을 채우도록, 배치될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213A)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
결국, 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(2121)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 광확산부(213A)가 배치됨으로써, 구현 환경에 따라 상기 언급한 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다 하더라도, 광세기가 특정영역으로 집중되지 않고 좀 더 넓고 고르게 확산될 수 있게 된다. 즉, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있게 된다.
이때, 도 12에 도시된 바와 같이, 수광픽셀(2121)로 이루어진 이미지 센서의 위치에서의 광신호를 보면, 각 광원(211a,211b)에 의해 방사되는 각각의 광신호의 시간-평균 광세기값은 공간적으로 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르게 된다.
즉, 광원(211a)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은, 제1 가우시안 분포(G1)를 따르며, 광원(211b)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은 제2 가우시안 분포(G2)를 따르게 된다.
이처럼 광검출부(212)를 기준으로 대칭적으로 배치된 각 광원(211a,211b) 중심축 사이의 전체간격(D)은, 제1 가우시안 분포(G1) 및 제2 가우시안 분포(G2)가 동일한 광세기 분포 특성을 갖는다고 가정한 경우, 표준편차(σ)에 의해 결정될 수 있는데, 표준편차의 2배 간격으로 결정한 경우, 균등 분포 구간(R1)을 확보할 수 있게 된다.
이때, 전술과 같이 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211a,211b)이 배치되는 경우, 양자난수생성장치(210A)의 크기를 최소화하기 위해서는 각 광원(211a,211b)과 광검출부(212) 간의 거리를 최소화할 수 있어야 한다. 이때, 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾을 수 있어야 하는데, 이는 각 광원(211a,211b)에 인가되는 전류량을 각 광원(211a,211b)에서 방출되는 빛의 세기를 조절함으로써 가능하게 된다.
좀 더 구체적으로 광세기를 조절함으로써, 표준편차를 조절할 수 있고, 이는 결국, 광원 사이의 거리를 조절하고 최소화 할 수 있음을 의미한다.
한편, 도 8은, 도 7에 도시된 실시예와는 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210B)를 보여주고 있다.
도 8에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211) 및 광검출부(212)는, 동일 기판(214) 상에 배치된다.
다만, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)은, 기판(214)에 광원의 일부분이 매몰되도록 매몰(Embedded) 결합되는 배치 구조이다.
이렇게 되면, 기판(214)의 표면을 기준으로 볼 때, 각 광원(211a,211b)을 기판(214)의 표면에 결합하는 경우 대비, 광원이 기판(214)에 결합됨으로 인한 높이를 낮추어, 광원관리부(210)의 하드웨어적 크기를 줄일 수 있다.
그리고, 도 8에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 동일 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 평면 형태로 배치될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
물론, 도 8에 도시된 바와 달리, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부에만 평면 형태로 배치될 수도 있고, 또는 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에만 평면 형태로 배치될 수도 있다.
이 경우라면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호 만을 확산시킬 수 있고, 또는 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호 만을 확산시킬 수 있다.
그리고, 광확산부(213B)의 확산물질이 평면 형태로 배치되는 경우, 확산물질을 지지하는 구조가 필요할 것이다.
도 8에 도시된 실시예에서는, 광확산부(213B)의 확산물질은, 기구물(216a,216b)에 의해 지지되는 구조를 나타내고 있다.
여기서 기구물(216a,216b)은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 및 광검출부(212)에 전원을 공급하거나 광검출부(212)와의 data in/out을 위한 구성일 수 있다.
이는, 설령 각 광원(211a,211b)의 높이값이 기구물(216a,216b)의 높이값 보다 크다 하더라도, 각 광원(211a,211b)이 기판(214)에 매몰 결합되어 매몰된 높이 만큼 여유가 생기기 때문에 가능한 것이다.
물론, 도 8에 도시된 바와 달리, 광확산부(213B)의 확산물질 지지를 위한 별도 지지수단에 의해 지지될 수도 있다.
도 9는, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210C)를 보여주고 있다.
도 9에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211) 및 광검출부(212)는 동일 기판(214) 상에 배치되고, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)은 기판(214)에 매몰 결합된다.
도 9에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213C)의 확산물질은, 수광픽셀(2121)의 상부(수광면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 광검출부(212)가 배치된 기판(214)에 광검출부(212)를 패키징(Packaging)하는 구조로 형성될 수 있다.
이때, 광확산부(213C)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)의 상부(방사면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 광검출부(212)와 함께 각 광원(211a,211b) 역시 기판(214)에 패키징하여, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)이 광확산부(213C)의 확산물질로 형성된 패키징 구조 내에 위치하도록 하고 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213C)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
물론, 도 9에 도시된 바와 달리, 광확산부(213C)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)을 제외하고 광검출부(212) 만을 기판(214)에 패키징하는 구조로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 패키징 구조를 갖는 광확산부(213C)의 확산물질은, 스스로를 지지하는 구조이기 때문에, 별도의 지지수단이 불필요하다.
도 9에 도시된 실시예에서는, 기구물(216a,216b)을 배치하지 않고, 대신 각 광원(211a,211b) 및 광검출부(212)에 전원을 공급하거나 광검출부(212)와의 data in/out을 위한 전원 및 data I/O배선이 기판(214)에 형성할 수도 있다.
이렇게 되면, 광확산부의 확산물질을 지지하는 지지수단이 불필요하고 기구물(216a,216b)을 제거할 수 있기 때문에, 광원관리부(210)의 하드웨어적 사이즈를 도 8의 실시예 보다 더욱 줄일 수도 있다.
도 10은, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210D)를 보여주고 있다.
도 10에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211)는 광검출부(212)가 배치된 기판(214)에 대향되는 상단 기판(215)에 배치되고 있다. 도 10의 실시예의 경우, 설명의 편의 상 커버면(215)과 상단 기판(215)을 동일시 하여 설명하겠다.
그리고, 도 10에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213D)의 확산물질은, 수광픽셀(2121)의 상부(수광면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 기판(214)에 광검출부(212)를 패키징하는 구조로 형성된다.
이렇게 되면, 광확산부(213D)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211c,211d)에서 방사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 확산시킬 수 있다.
도 10에 도시된 실시예 역시, 광확산부의 확산물질을 지지하는 지지수단이 불필요하기 때문에, 각 광원(211c,211d)에 전원을 공급하는 전원선을 상단 기판(215)에 형성한다면, 광원관리부(210)의 하드웨어적 크기를 줄일 수 있다.
도 11은, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210E)를 보여주고 있다.
도 11에 도시된 실시예의 경우, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)을 기판(214)의 표면에 결합하고 각 광원(211a,211b)에 전원을 공급하기 위한 기구물(216a,216b)도 구비하고 있다.
도 11에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213E)의 확산물질은, 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 기구물(216a,216b)에 의해 지지된다.
여기서, 광확산부(213E)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)의 높이값이 기구물(216a,216b)의 높이값 보다 크다고 가정할 때, 기구물(216a,216b)에 의해 지지되는 지지부분을 부족한 높이 만큼 연장하는 구조로 형성될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213E)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
이상에서 설명한 다양한 실시예에 따른 광원부(211) 및 광학산부(213)로 인해, 본 발명의 양자난수생성장치 구현 시, 광확산부(213)의 배치방식에 따라서는 하나의 단일 광원으로도 일정 수준 이상의 우수한 난수성(randomness)의 품질을 확보할 수 있게 되며, 광원의 개수 및 배치를 좀 더 자유롭게 결정할 수 있기 때문에 양자난수생성장치의 크기를 더욱 소형화할 수 있게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 도 5 (B)와 같이 적어도 하나의 광원(101'-10n')이 개별적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록, 각 광원(101'-10n')을 병렬로 배치하여 구현할 수 있다.
이처럼 각 광원(101'-10n')에 대해 독립적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록 구현이 이루어지게 되면, 광원(101'-10n') 중 일부만 사용할 수 있게 된다.
이에, 각 광원(101'-10n') 중 일부 광원 만을 온 동작시켜 사용하는 중 난수성이 기준 이하의 품질이 되는 경우, 예컨대 사용하고 있는 광원의 수명이 다하거나 품질이 나빠지는 상황이 발생하는 경우, 나머지 다른 광원을 대체/사용할 수 있도록 하는 하드웨어 설계 및 구동 로직을 실현할 수 있게 된다.
이에, 광확산부(213)를 포함하여 구현된 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 하나의 단일 광원만으로도 우수한 난수성을 확보할 가능성이 높아진다.
예를 들어, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')만 사용해도 일정 수준 이상의 품질을 갖는 난수성이 확보되는 경우에는, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')으로만 전류가 공급되도록 하고, 나머지 광원(102'-10n')으로는 전류가 인가되지 않도록 제어하여, 추후 상황에 따라 나머지 광원(102'-10n')이 교체 가능한 예비광원으로 사용되도록 할 수 있다.
즉, 적어도 하나의 광원 중 일부 광원이 온(on) 동작하도록 제어되어 각 픽셀에서의 일정 수준 이상의 난수성 품질 확보가 가능한 경우에는, 나머지 광원이 오프(off) 동작하도록 제어함으로써, 양자난수생성장치의 품질이 지속적으로 유지되도록 하는 동시에 수명 또한 연장되도록 구현할 수 있게 된다.
한편, 전술에서는 도 7 내지 도 11을 참조한 다양한 본 발명의 실시예 설명에서, 광검출부(212)를 기준으로 2개의 광원 각각이 대칭적으로 배치된 양자난수생성장치에 대하여 설명하였으나, 도 13과 같이 광검출부(212)를 기준으로 4개의 광원(211a,211b,211e,211f)이 대칭으로 배치될 수도 있다.
즉, 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211a,211b)이 제1 방향(x)으로 대칭이 되도록 배치되며, 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211e,211f)이 제1 방향(x)과 수직하는 제2 방향(y)으로 대칭이 되도록 배치된다.
또한, 다수의 광원을 표준편차의 2배 간격이 되도록 광검출부(212)의 각 면을 따라 나란히 배치하게 되면, 도 14와 같이 광세기가 균등한 소정 범위의 균등 분포 구간(R2)을 확보할 수 있다.
물론, 양자난수생성장치의 크기 및 성능 요구에 따라 4개 보다 더 많은 광원을 이용할 수도 있고, 더 적은 광원을 이용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 하기 위해 가우시안 분포를 일례로 이용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 본 발명에서는, 가우시안 분포 이외에, 광원에 의해 발생될 수 있는 임의의 분포 특성에 대해서도 유사한 방식으로 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 입력 받게 됨에 따라 각 수광픽셀에서의 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있는 효과를 도출한다.
또한, 양자난수생성장치의 구현 시, 별도의 회로를 추가하는 복잡한 과정을 수행하지 않고도 광확산부의 다양한 배치방식에 따라, 광원의 개수 및 배치를 좀 더 자유롭게 결정할 수 있기 때문에 하드웨어적인 구성을 단순화하여 양자난수생성장치의 크기를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 각 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 있으므로 각 수광픽셀의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 출력값의 우수한 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있게 된다.
한편, 여기에 제시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘 또는 제어기능의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치(이하, 양자난수생성장치)와 관련된다.
양자난수생성장치는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값, 즉 광량을 균일하게 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성한다.
이러한 양자난수생성장치는, 양자난수생성기(Quantum Random Number Generator, QRNG)일 수 있으며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.
본 발명은, 양자난수생성장치의 성능 향상을 위한 하드웨어적인 구성과 관련된다. 특히, 본 발명은 이미지 센서로의 외부 광 개방/차단이 가능한 개폐구조를 갖는 상황 및 외부 광 개방이 원천적으로 불가능한 밀폐구조를 갖는 상황을 고려하여, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 입력될 수 있도록, 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 양자난수생성장치에 관련된다.
다시 말해, 본 발명은 양자난수생성장치를 제작할 때, 칩 또는 모듈 형태로 소형화 및 대량 생산하기 위한 하드웨어적인 구성에 관한 것이다.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 난수생성장치를 제작함에 있어 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 기본 방안에 대해 간단히 설명하도록 하겠다.
먼저, 도 1을 참고하여 난수생성장치의 기본 구성원리에 대하여 설명하도록 하겠다.
도 1에 도시한 바와 같이, 난수생성장치는, 광원(10)으로부터 방사되는 광신호를 검출부(20)를 통해 검출하며, 검출되는 광량의 광자 수에 대한 샷노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성하게 된다. 도 1과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)에서 확인할 수 있다.
광원(10)은, 광자를 방사하며, 예컨대 다수의 광자로 이루어진 광신호를 연속적으로 방사할 수 있다.
이러한 광원(10)은, 레이저(laser) 등과 같은 간섭광(coherent light) 또는 LED(light emitting diode) 등과 같은 혼돈광(chaotic light)일 수 있다. 만일, 광원(10)으로 LED가 사용되는 경우, 양자 노이즈 특성이 유지될 수 있도록 설정된 임계범위 내에서 적정 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
검출부(20)는, 이미지 센서(21)가 장착된 카메라 모듈일 수 있으며, 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성한다.
이때, 이미지 센서(21)는, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 및 CCD(charge coupled device) 센서 등을 포함하며, 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출할 수 있다면 다른 유사 센서들로도 구성될 수 있다.
이러한, 검출부(20)는, 이미지 센서(21)에서 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압을 증폭기(22)를 통해 증폭한 다음 ADC(analog-digital converter)(23)를 통해 디지털 출력, 즉 난수(30)를 생성한다.
이처럼 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수(30)를 생성하는 경우, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기 값이 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖게 된다.
이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성(randomness)은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다.
따라서, 이미지 센서(21)의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는, 각 픽셀로 입력되는 시간-평균 광세기값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.
즉, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들의 출력값은 각 픽셀들로 입력되는 광세기에 대응되므로, 출력값이 갖는 통계적 특성이 각 픽셀마다 상이하게 되면, 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해질 뿐만 아니라, 특정 픽셀에서는 동일한 난수값이 다른 픽셀에 비해 집중적으로 생성될 수 있어 모든 픽셀이 우수한 난수성을 동일하게 유지하기 어렵게 된다.
이처럼, 난수생성장치의 구현 복잡도를 감소시키고, 각 픽셀로부터 우수한 품질의 난수열을 생성하는 데에 있어서, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하는 것이 매우 중요하며 이는 난수생성장치의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.
이처럼 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일하게 입력되는 것이 매우 중요함에도 불구하고, 점차 소형화되어 가는 난수생성장치의 하드웨어적인 구현 크기의 제약으로 인해, 기판(PCB) 구성을 단순화하기 위한 방안이 주로 제안되고 있을 뿐이다.
이하에서는, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 제작할 때 고려해 볼 수 있는 방안들에 대해 설명하도록 하겠다.
난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 첫 번째 구현방안으로, 도 2와 광원(10)과 이미지 센서(21)가 서로 마주보도록 구현하는 것을 고려해볼 수 있다.
첫 번째 구현방안에 의해 난수생성장치를 생성하기 위해서는, 광원(10)으로부터 방사된 광신호가 최대한 넓게 분산되도록 구성해야 하며, 이미지 센서(21) 내 최대한 많은 픽셀들이 유사한 개수의 광량을 검출할 수 있도록 하기 위해, 광원(10)과 이미지 센서(21)의 간격을 제한하거나 또는 이미지 센서(21)의 크기를 제한한다.
또한, 광원(10)을 배치하기 위한 상부기판(Top PCB)(40)과, 이미지 센서(21)를 배치하기 위한 하부기판(Bottom PCB)(50)을 각각 구분하여 사용해야 하므로 제조 공정이 복잡해지며, 그로 인해 비용 절감 및 소형화를 기대하기 힘든 문제점이 발생하게 된다.
즉, 첫 번째 구현방안에 의해서는 난수생성장치의 기판 구성을 단순화하여 구현하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작하기 위해 생각해 볼 수 있는 두 번째 구현방안으로, 도 3과 같이 하나의 기판상(60)에 광원(10)과 이미지 센서(21)를 배치하되 별도의 광도파로(light wave guide)(70)를 추가하는 구성을 고려해 볼 수도 있다. 도 3과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)의 저자에 의해 QCrypt 2014 학회에서 소개된 바 있다.
그러나, 두 번째 구현방안과 같이 광도파로(70)를 별도로 추가하는 배치 방안은 제조 공정상의 복잡성 및 그로 인한 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 광원(10)으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없는 한계점은 여전히 가질 것으로 예상된다.
전술과 같이 난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 제작할 때 생각해 볼 수 있는 첫 번째 및 두 번째 구현방안은 모두, 제조 상의 복잡성 측면이나 광신호의 시간-평균 광세기값 균일성 측면에서 만족스럽지 못한 수준이다.
이에 본 발명에서는, 양자난수생성장치를 칩 또는 모듈 형태로 소형화 및 대량 생산하되, 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있도록, 하드웨어적인 각 구성의 배치 및 구조를 최적화한 방안을 제안하고자 한다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 하나의 광원을 이용하는 양자난수생성장치를 언급하여, 광량을 검출하는 일례를 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.
도 4에서는 하나의 광원(10)을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하였다.
이처럼 양자난수생성장치가 하나의 광원(10)에 의해 구현되는 경우, 광원(10)으로부터 광신호가 방사되면, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 입력되는 시간-평균 광세기값은 광원에서 방사되는 광신호의 공간적 광세기 분포에 의해 결정된다.
이때, 공간적으로 다른 위치에 배치되어 있는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값들의 공간적인 분포는 광소자 공정 방식에 따라 천차만별인데, 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 합, cosine power의 합 등으로 표현되기도 한다. 이와 관련된 기술은 February 2008/Vol.16, No.3/OPTICS EXPRESS 1808에서 확인할 수 있다. 그렇지만, 많은 경우, 하나의 피크(peak)를 갖는 가우시안 분포를 따르기 때문에 본 발명은 가우시안 분포를 예를 들어 기술한다.
가우시안 분포의 중심축(80)에 대응하여 위치하는 이미지 센서(21) 내적어도 하나의 픽셀(pi1)은, 중심축(80)에서의 가우시안 분포에 따라 평균적으로 최대의 광량, 즉 광세기에 대한 시간-평균(time-average) 값 중 가장 큰 값을 입력 받게 된다. 그러나, 픽셀(pi1)을 제외한 나머지 픽셀(pi2)은 중심축(80)을 중심으로 대칭적으로 감소하는 가우시안 분포에 대응되는 점차 감소하는 광량을 입력 받게 된다.
이에, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 서로 상이하게 되어, 평균적으로 서로 상이한 광량을 검출하게 되는 것이다.
이처럼, 하나의 광원(10)에 의해 양자난수생성장치가 구현되면, 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르는 광신호의 시간-평균 광세기값에 따라 이미지 센서(21)의 각 픽셀들(pi1, pi2)로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 없게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 하기 위한, 다양한 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 제시한다.
이하에서는, 도 5 내지 도 13을 참조하여, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구현 방안을 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.
본 발명에서는, 다수의 광원을 이용해 양자난수생성장치를 구현하는 경우, 도 5의 (A)에 도시한 바와 같이, 광원으로 사용되는 LED가 전광효과를 제공하는 p-n 접합 다이오드이므로 여러 개의 광원을 직렬로 연결하여, 용이하게 확장 구현할 수 있는 LED 특성을 이용한다. 이러한 LED 특성을 이용하여 별도의 복잡한 회로 구성을 추가하지 않고도 다수의 광원(101-10n)을 단순하게 직렬로 연결할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 직렬로 연결되는 다수의 광원(101-10n)에 의해 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있는 양자난수생성장치를 구현할 수 있다.
따라서, 기존 하나의 광원을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하기 위해 별도로 광도파로(light wave guide)를 추가하는 방안과 비교할 때, 하드웨어적인 구조를 보다 단순화시킬 수 있다. 따라서 보다 용이하게 칩 또는 모듈 형태로 소형화할 수 있게 된다.
물론, 본 발명에서는, 다수의 광원을 이용해 양자난수생성장치를 구현하는 경우, 도 5의 (B)의 예와 같이, 각 광원을 병렬로 연결하여, 각각의 LED에 인가되는 전류량을 독립적으로 제어할 수도 있다.
전술의 LED 특성에 따라 구현된 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(200)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 광원관리부(210) 및 난수생성부(220)를 포함한다.
광원관리부(210)는, 적어도 하나의 광원을 포함하는 광원부(211), 적어도 하나의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부(212), 및 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시키는 광확산부(213)를 포함한다.
본 발명의 양자난수생성장치(200)는, 광원을 이용하는 것을 기본으로 하지만, 이 외에도 반사변, 광검출부 등과 같은 다양한 구성이 함께 이용되어 구현된다. 이처럼 다양한 구성들의 조합에 의해 양자난수생성장치(200)가 구현되는 경우에는, 구현 환경에 따라 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.
즉, 양자난수생성장치(200)의 구현 환경에 따라, 광신호가 전파되는 공간이 협소해지거나, 광검출부의 픽셀의 크기가 상이하거나, 픽셀 어레이(array)의 레졸루션(resolution)이 상이하거나, 광검출부의 크기(높이)가 상이하게 되는 등의 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다.
이러한 제약 사항들로 인해, 광검출부 내 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀) 중 광원에 가까운 특정영역으로 입력되는 광세기가 상대적으로 커지질 수 있다. 즉, 양자난수생성장치(200)의 구현 환경에 따라, 특정영역으로 광세기가 집중되는 문제가 발생할 수 있는 것이다.
양자난수생성장치(200)는, 이러한 문제를 해소하기 위한 구성으로서, 광원 즉 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀로 입력될 때, 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값이 균일해지도록 광신호를 확산시키는 광확산부(213)를 채택하는 것이다.
난수생성부(220)는, 각각의 수광픽셀이 검출한 광세기값, 즉 양자 노이즈를 디지털로 변환한 값을 이용하여 난수를 생성한다.
이하에서는, 광원관리부(210)에 대하여 구체적으로 설명하겠다.
광원부(211)는, 하나의 광원(이하, 단일 광원)을 포함할 수도 있고, 다수의 광원을 포함할 수도 있다.
광원부(211)는, 제작하려는 양자난수생성장치의 크기 및 성능에 따라 단일 광원, 또는 2개 이상의 다수 광원을 구비할 수 있다. 이때, 광원의 개수는 제한되지 않는다.
이때, 광원부(211)가 다수의 광원을 포함하는 경우, 광원부(211)는, 다수의 광원으로서 홀수 개(예: 3,5...개)의 광원을 포함할 수도 있고, 짝수 개(예: 2,4...개)의 광원을 포함할 수도 있다.
그리고, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 다수의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 수광픽셀로 입력될 때 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 광검출부(212)를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
이때, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 광검출부(212)와 동일 기판에 배치될 수 있고, 이 경우 광검출부(212)과 동일 기판에서 광검출부(212)를 중심으로 대칭된다.
한편, 광원부(211)에 포함되는 다수의 광원은, 광검출부(212)가 배치된 기판에 대향되는 상단 기판에 배치될 수 있고, 이 경우 광검출부(212)과 마주하는 상단 기판에서 광검출부(212)를 중심으로 대칭된다.
물론, 광원부(211)가 하나의 광원(이하, 단일 광원)을 포함하는 경우에도, 광원부(211)에 포함되는 단일 광원은, 광검출부(212)와 동일 기판에 배치될 수 있고, 광검출부(212)와 마주하는 상단 기판에 배치될 수 있다.
다만, 설명의 편의를 위해, 광원부(211)가 다수의 광원을 포함하고, 더 구체적으로는 광검출부(212)를 중심으로 대칭적으로 배치되는 2개의 광원을 포함하는 것으로 가정하여 설명하겠다.
그리고, 본 발명에서는, 다수의 광원 각각에 의해 방사되는 광신호가 동일한 것으로 가정한다.
이하에서는, 도 7을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자난수생성장치(210A)의 배치 구조를 설명한다.
도 7에 도시된 실시예의 경우 광원부(211)는, 적어도 하나의 광원을 포함하고, 다만 설명의 편의 상 광검출부(212)를 기준으로 2개의 광원(211a, 211b)이 대칭으로 배치된 것으로 가정한다.
광검출부(213)는, 전술에서 언급한 CMOS 및 CCD 센서 등과 같은 이미지 센서일 수 있다.
이러한, 광검출부(212)는, 각 광원(211a,211b)으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀)(2121)을 포함한다.
이러한 광원부(211) 및 광검출부(212)는, 양자난수생성장치(210A)의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 동일 기판(214) 상에 배치될 수 있다.
이처럼, 양자난수생성장치의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 기판(214) 상에 광원부(211)와 광검출부(212)를 배치하여 칩 또는 모듈 형태 제작하게 되면, 칩 또는 모듈 케이스의 커버면(215)에 의해 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 자연스럽게 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력될 것이다.
그러나, 전술에서도 언급하였듯이, 다양한 구성의 조합에 의해 양자난수생성장치가 생성되는 경우에는 구현 환경에 따라 발생하는 제약 사항들로 인해 특정영역으로 광세기가 집중될 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는, 광원관리부(210)에 난반사를 유도할 수 있는 광확산부(213)를 추가하여 양자난수생성장치를 구현한다.
광확산부(213)는, 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 광검출부(212)의 수광픽셀(2121)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치하여, 광신호가 광검출부(212)로 전파되는 과정에서 난반사를 유도하는 기능을 갖는다.
전술한 바와 같이, 수광픽셀(2121)이 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 이미지 센서(예: CMOS 센서 또는 CCD 센서)인 경우, 수광픽셀(2121)의 수광면 상부에는 수광픽셀(2121)을 덮는 형태로 유리물질이 배치(또는 도포)되고 있다.
이 경우라면, 본 발명에서는, 수광픽셀(2121)의 상부에 있는 유리물질을 제거하고, 대신 광확산부(213)의 확산물질을 배치(또는 도포)할 수도 있다.
이러한 광확산부(213)는, 난반사 성질을 가지는 확산물질 예컨대 아크릴 소재의 디퓨저(diffuser)일 수 있으며, 그 형태(고체, 기체, 액체)가 무엇인지에 관계 없이 해당 형태에 적합한 배치방식을 기반으로 광원관리부(210)에 배치될 수 있다.
도 7에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213A)의 확산물질은, 동일 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 양자난수생성장치(210A)의 케이스 내부에서 광원부(211) 및 광검출부(212)가 배치된 공간을 제외한 나머지 공간을 채우도록, 배치될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213A)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
결국, 광원부(211)에서 방사되는 광신호가 수광픽셀(2121)로 입력될 때의 광신호 진행경로에 광확산부(213A)가 배치됨으로써, 구현 환경에 따라 상기 언급한 다양한 제약 사항들이 발생하게 된다 하더라도, 광세기가 특정영역으로 집중되지 않고 좀 더 넓고 고르게 확산될 수 있게 된다. 즉, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 균일하게 할 수 있게 된다.
이때, 도 12에 도시된 바와 같이, 수광픽셀(2121)로 이루어진 이미지 센서의 위치에서의 광신호를 보면, 각 광원(211a,211b)에 의해 방사되는 각각의 광신호의 시간-평균 광세기값은 공간적으로 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르게 된다.
즉, 광원(211a)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은, 제1 가우시안 분포(G1)를 따르며, 광원(211b)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균 광세기값은 제2 가우시안 분포(G2)를 따르게 된다.
이처럼 광검출부(212)를 기준으로 대칭적으로 배치된 각 광원(211a,211b) 중심축 사이의 전체간격(D)은, 제1 가우시안 분포(G1) 및 제2 가우시안 분포(G2)가 동일한 광세기 분포 특성을 갖는다고 가정한 경우, 표준편차(σ)에 의해 결정될 수 있는데, 표준편차의 2배 간격으로 결정한 경우, 균등 분포 구간(R1)을 확보할 수 있게 된다.
이때, 전술과 같이 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211a,211b)이 배치되는 경우, 양자난수생성장치(210A)의 크기를 최소화하기 위해서는 각 광원(211a,211b)과 광검출부(212) 간의 거리를 최소화할 수 있어야 한다. 이때, 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾을 수 있어야 하는데, 이는 각 광원(211a,211b)에 인가되는 전류량을 각 광원(211a,211b)에서 방출되는 빛의 세기를 조절함으로써 가능하게 된다.
좀 더 구체적으로 광세기를 조절함으로써, 표준편차를 조절할 수 있고, 이는 결국, 광원 사이의 거리를 조절하고 최소화 할 수 있음을 의미한다.
한편, 도 8은, 도 7에 도시된 실시예와는 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210B)를 보여주고 있다.
도 8에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211) 및 광검출부(212)는, 동일 기판(214) 상에 배치된다.
다만, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)은, 기판(214)에 광원의 일부분이 매몰되도록 매몰(Embedded) 결합되는 배치 구조이다.
이렇게 되면, 기판(214)의 표면을 기준으로 볼 때, 각 광원(211a,211b)을 기판(214)의 표면에 결합하는 경우 대비, 광원이 기판(214)에 결합됨으로 인한 높이를 낮추어, 광원관리부(210)의 하드웨어적 크기를 줄일 수 있다.
그리고, 도 8에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 동일 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 평면 형태로 배치될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
물론, 도 8에 도시된 바와 달리, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부에만 평면 형태로 배치될 수도 있고, 또는 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에만 평면 형태로 배치될 수도 있다.
이 경우라면, 광확산부(213B)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호 만을 확산시킬 수 있고, 또는 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호 만을 확산시킬 수 있다.
그리고, 광확산부(213B)의 확산물질이 평면 형태로 배치되는 경우, 확산물질을 지지하는 구조가 필요할 것이다.
도 8에 도시된 실시예에서는, 광확산부(213B)의 확산물질은, 기구물(216a,216b)에 의해 지지되는 구조를 나타내고 있다.
여기서 기구물(216a,216b)은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 및 광검출부(212)에 전원을 공급하거나 광검출부(212)와의 data in/out을 위한 구성일 수 있다.
이는, 설령 각 광원(211a,211b)의 높이값이 기구물(216a,216b)의 높이값 보다 크다 하더라도, 각 광원(211a,211b)이 기판(214)에 매몰 결합되어 매몰된 높이 만큼 여유가 생기기 때문에 가능한 것이다.
물론, 도 8에 도시된 바와 달리, 광확산부(213B)의 확산물질 지지를 위한 별도 지지수단에 의해 지지될 수도 있다.
도 9는, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210C)를 보여주고 있다.
도 9에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211) 및 광검출부(212)는 동일 기판(214) 상에 배치되고, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)은 기판(214)에 매몰 결합된다.
도 9에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213C)의 확산물질은, 수광픽셀(2121)의 상부(수광면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 광검출부(212)가 배치된 기판(214)에 광검출부(212)를 패키징(Packaging)하는 구조로 형성될 수 있다.
이때, 광확산부(213C)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)의 상부(방사면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 광검출부(212)와 함께 각 광원(211a,211b) 역시 기판(214)에 패키징하여, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)이 광확산부(213C)의 확산물질로 형성된 패키징 구조 내에 위치하도록 하고 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213C)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
물론, 도 9에 도시된 바와 달리, 광확산부(213C)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)을 제외하고 광검출부(212) 만을 기판(214)에 패키징하는 구조로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 패키징 구조를 갖는 광확산부(213C)의 확산물질은, 스스로를 지지하는 구조이기 때문에, 별도의 지지수단이 불필요하다.
도 9에 도시된 실시예에서는, 기구물(216a,216b)을 배치하지 않고, 대신 각 광원(211a,211b) 및 광검출부(212)에 전원을 공급하거나 광검출부(212)와의 data in/out을 위한 전원 및 data I/O배선이 기판(214)에 형성할 수도 있다.
이렇게 되면, 광확산부의 확산물질을 지지하는 지지수단이 불필요하고 기구물(216a,216b)을 제거할 수 있기 때문에, 광원관리부(210)의 하드웨어적 사이즈를 도 8의 실시예 보다 더욱 줄일 수도 있다.
도 10은, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210D)를 보여주고 있다.
도 10에 도시된 실시예의 경우 역시, 광원부(211)는 광검출부(212)가 배치된 기판(214)에 대향되는 상단 기판(215)에 배치되고 있다. 도 10의 실시예의 경우, 설명의 편의 상 커버면(215)과 상단 기판(215)을 동일시 하여 설명하겠다.
그리고, 도 10에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213D)의 확산물질은, 수광픽셀(2121)의 상부(수광면 상부) 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 기판(214)에 광검출부(212)를 패키징하는 구조로 형성된다.
이렇게 되면, 광확산부(213D)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211c,211d)에서 방사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 확산시킬 수 있다.
도 10에 도시된 실시예 역시, 광확산부의 확산물질을 지지하는 지지수단이 불필요하기 때문에, 각 광원(211c,211d)에 전원을 공급하는 전원선을 상단 기판(215)에 형성한다면, 광원관리부(210)의 하드웨어적 크기를 줄일 수 있다.
도 11은, 앞선 실시예들과는 또 다른 배치구조의 양자난수생성장치(210E)를 보여주고 있다.
도 11에 도시된 실시예의 경우, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)을 기판(214)의 표면에 결합하고 각 광원(211a,211b)에 전원을 공급하기 위한 기구물(216a,216b)도 구비하고 있다.
도 11에 도시된 확산물질의 배치방식을 설명하면, 광확산부(213E)의 확산물질은, 기판(214)에 배치된 광원부(211)의 각 광원(211a,211b) 방사면 상부 및 광검출부(212)의 수광픽셀(2121) 수광면 상부에 위치하되, 기구물(216a,216b)에 의해 지지된다.
여기서, 광확산부(213E)의 확산물질은, 각 광원(211a,211b)의 높이값이 기구물(216a,216b)의 높이값 보다 크다고 가정할 때, 기구물(216a,216b)에 의해 지지되는 지지부분을 부족한 높이 만큼 연장하는 구조로 형성될 수 있다.
이렇게 되면, 광확산부(213E)의 확산물질은, 광원부(211)의 각 광원(211a,211b)에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 커버면(215)에서 반사되어 수광픽셀(2121)로 입력되는 광신호를 2차 확산시킬 수 있다.
이상에서 설명한 다양한 실시예에 따른 광원부(211) 및 광학산부(213)로 인해, 본 발명의 양자난수생성장치 구현 시, 광확산부(213)의 배치방식에 따라서는 하나의 단일 광원으로도 일정 수준 이상의 우수한 난수성(randomness)의 품질을 확보할 수 있게 되며, 광원의 개수 및 배치를 좀 더 자유롭게 결정할 수 있기 때문에 양자난수생성장치의 크기를 더욱 소형화할 수 있게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 도 5 (B)와 같이 적어도 하나의 광원(101'-10n')이 개별적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록, 각 광원(101'-10n')을 병렬로 배치하여 구현할 수 있다.
이처럼 각 광원(101'-10n')에 대해 독립적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하도록 구현이 이루어지게 되면, 광원(101'-10n') 중 일부만 사용할 수 있게 된다.
이에, 각 광원(101'-10n') 중 일부 광원 만을 온 동작시켜 사용하는 중 난수성이 기준 이하의 품질이 되는 경우, 예컨대 사용하고 있는 광원의 수명이 다하거나 품질이 나빠지는 상황이 발생하는 경우, 나머지 다른 광원을 대체/사용할 수 있도록 하는 하드웨어 설계 및 구동 로직을 실현할 수 있게 된다.
이에, 광확산부(213)를 포함하여 구현된 본 발명의 양자난수생성장치에서는, 하나의 단일 광원만으로도 우수한 난수성을 확보할 가능성이 높아진다.
예를 들어, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')만 사용해도 일정 수준 이상의 품질을 갖는 난수성이 확보되는 경우에는, 광원(101'-10n') 중 특정광원(101')으로만 전류가 공급되도록 하고, 나머지 광원(102'-10n')으로는 전류가 인가되지 않도록 제어하여, 추후 상황에 따라 나머지 광원(102'-10n')이 교체 가능한 예비광원으로 사용되도록 할 수 있다.
즉, 적어도 하나의 광원 중 일부 광원이 온(on) 동작하도록 제어되어 각 픽셀에서의 일정 수준 이상의 난수성 품질 확보가 가능한 경우에는, 나머지 광원이 오프(off) 동작하도록 제어함으로써, 양자난수생성장치의 품질이 지속적으로 유지되도록 하는 동시에 수명 또한 연장되도록 구현할 수 있게 된다.
한편, 전술에서는 도 7 내지 도 11을 참조한 다양한 본 발명의 실시예 설명에서, 광검출부(212)를 기준으로 2개의 광원 각각이 대칭적으로 배치된 양자난수생성장치에 대하여 설명하였으나, 도 13과 같이 광검출부(212)를 기준으로 4개의 광원(211a,211b,211e,211f)이 대칭으로 배치될 수도 있다.
즉, 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211a,211b)이 제1 방향(x)으로 대칭이 되도록 배치되며, 광검출부(212)를 기준으로 각 광원(211e,211f)이 제1 방향(x)과 수직하는 제2 방향(y)으로 대칭이 되도록 배치된다.
또한, 다수의 광원을 표준편차의 2배 간격이 되도록 광검출부(212)의 각 면을 따라 나란히 배치하게 되면, 도 14와 같이 광세기가 균등한 소정 범위의 균등 분포 구간(R2)을 확보할 수 있다.
물론, 양자난수생성장치의 크기 및 성능 요구에 따라 4개 보다 더 많은 광원을 이용할 수도 있고, 더 적은 광원을 이용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 하기 위해 가우시안 분포를 일례로 이용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 본 발명에서는, 가우시안 분포 이외에, 광원에 의해 발생될 수 있는 임의의 분포 특성에 대해서도 유사한 방식으로 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 입력 받게 됨에 따라 각 수광픽셀에서의 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있는 효과를 도출한다.
또한, 양자난수생성장치의 구현 시, 별도의 회로를 추가하는 복잡한 과정을 수행하지 않고도 광확산부의 다양한 배치방식에 따라, 광원의 개수 및 배치를 좀 더 자유롭게 결정할 수 있기 때문에 하드웨어적인 구성을 단순화하여 양자난수생성장치의 크기를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 각 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 있으므로 각 수광픽셀의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 출력값의 우수한 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있게 된다.
한편, 여기에 제시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘 또는 제어기능의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

Claims (12)

  1. 난수 생성 장치로서,
    적어도 하나의 광원;
    상기 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 복수의 수광 픽셀들을 포함하는 광검출부; 및
    상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광 픽셀들로 입력될 때 상기 수광 픽셀들의 각각의 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값들이 균일해지도록 상기 광신호를 확산시키는 광확산부
    를 포함하는,
    난수 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수광 픽셀들에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수 생성부를 더 포함하는,
    난수 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광확산부는 난반사 성질을 가지는 확산물질이며, 상기 광확산부는 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호가 상기 수광 픽셀들로 입력될 때의 광신호 진행경로에 위치하는,
    난수 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 개별적으로 전류량 및 온(on)/오프(off) 동작 제어가 가능하며,
    상기 적어도 하나의 광원 중 일부 광원이 온(on) 동작하도록 제어되어 상기 픽셀들에서의 난수성(randomness)이 기준 이하의 품질이 되는 경우, 나머지 광원 중 적어도 하나의 광원이 온(on) 동작하도록 제어되는,
    난수 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원이 다수의 광원으로 이루어지는 경우, 상기 다수의 광원은 상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는,
    난수 생성 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광확산부의 확산물질은, 상기 수광 픽셀들의 상부에 위치하여, 상기 수광 픽셀들로 입력되는 광신호를 확산시키는,
    난수 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 광검출부와 동일 기판에 배치되고,
    상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 수광 픽셀들의 상부에 위치하여, 상기 적어도 하나의 광원에서 방사되는 광신호를 1차 확산시키고 상기 수광 픽셀들로 입력되는 광신호를 2차 확산시키는,
    난수 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 기판에 상기 광원의 일부분이 매립(embedded)되도록 상기 기판에 결합되는,
    난수 생성 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광확산부의 확산물질은, 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 광검출부에 전원을 공급하거나 상기 광검출부와의 데이터 in/out을 위해 상기 기판에 결합된 기구물에 의해 지지되는,
    난수 생성 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 광확산부의 확산물질은, 상기 수광 픽셀들의 상부 및 측부가 외부로 노출되지 않도록, 상기 광검출부가 배치된 기판에 상기 광검출부를 패키징(Packaging)하는 구조로 형성되는,
    난수 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원이 상기 광검출부와 동일 기판에 배치되는 경우, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 광확산부의 확산물질로 형성된 패키징 구조 내에 위치하며, 또는
    상기 적어도 하나의 광원이 상기 광검출부가 배치된 기판에 대향되는 상단 기판에 배치되는 경우, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 광확산부의 확산물질로 이루어진 패키징 구조 밖에 위치하는,
    난수 생성 장치.
  12. 난수 생성 장치로서,
    적어도 두 개의 광원;
    상기 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 복수의 수광 픽셀들을 포함하는 하나 이상의 광검출부; 및
    상기 수광 픽셀들에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수 생성부
    를 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 광원에서 방사된 광신호가 상기 수광 픽셀들로 입력될 때 상기 수광 픽셀들의 각각의 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값들이 균일해지도록, 상기 광검출부를 중심으로 상기 적어도 두 개의 광원이 대칭적으로 배치되거나 또는 상기 적어도 두 개의 광원과 상기 광검출부 사이에 광확산부가 배치되는,
    난수 생성 장치.
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