KR102200221B1 - 다중 출력 양자 난수 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광잡음을 코히어런트하게 측정하고 이를 근거로 난수열을 다중으로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 양자 난수 발생기를 구현하여 초고속으로 난수열을 출력할 수 있고 다중 출력이 가능하다.

Description

다중 출력 양자 난수 발생기 {MULTIPLE OUTPUT QUANTUM RANDOM NUMBER GENERATOR}
본 발명은 양자 난수 발생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 출력 난수 발생기에 관한 것이다.
난수 발생기는 수치 시뮬레이션, 암호, 양자 암호, 복권 등 수많은 응용을 가지고 있다. 난수 발생기가 소프트웨어와 하드웨어 기반으로 이루어진 경우 결정적인 시스템으로 구성되어 초기값과 주변 환경 변수를 알면 난수열 예측이 가능하므로 순수 난수 발생기로 보기 어렵다. 반면 난수 발생기가 양자 물리적인 특성에 기반한 경우 난수열을 예측할 수 없으므로 순수 난수 발생기라고 볼 수 있다.
양자 난수 발생기는 양자 암호통신에 이용되는데, 초고속 양자 암호통신을 위해서는 초고속 양자 순수 난수 발생기가 필요하다. 종래의 양자 난수 발생기는 단일 광자 광원과 단일 광자 검출기로 구성되는데 단일 광자 검출기가 수십 MHz의 저속으로 동작한다. 따라서 난수 발생 속도가 수십 MHz가 되어 GHz급의 양자 암호통신이 불가능하였다.
단일 광자 검출기를 사용하지 않는 양자 난수 발생기로는 레이저 광원의 양자 위상 잡음에 근거한 양자 난수 발생기(미국특허 8,554,814 B2)가 제안되었다. 제안된 양자 난수 발생기는 평면 광파 회로(planar lightwave circuit) 마흐젠더 간섭계를 이용하여 광원의 위상 잡음을 크기 잡음으로 변환한 후 광검출기로 측정하여 GHz 급의 초고속 양자 난수 발생 시스템을 구성하였다.
그러나 제안된 양자 난수 발생기는 광원의 위상잡음을 측정하기 위하여 마흐젠더 간섭계의 두 경로의 시간 차이가 긴(~500ps) 마흐젠더 간섭계를 필요로 하며, 마흐젠더 간섭계를 안정적으로 동작시키기 위해 온도를 제어해야 하는 문제점이 있고 또한 하나의 출력을 갖는다.
본 발명의 일 실시예는, 다중출력 양자 난수 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예는 초고속 다중출력 양자 난수 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 광잡음을 코히어런트하게 측정하고 이를 근거로 난수열을 다중으로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 출력 양자 난수 발생기가 구현될 수 있다.
일 실시예로서 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광잡음이 각각 입력되는 제1 및 제2 입력포트를 포함하고 상기 제1 입력포트로 입력된 제1 광잡음과 상기 제2 입력포트로 입력된 제2 광잡음이 합성되고 동위상 성분과 직교위상 성분으로 분리되는 광 하이브리드; 상기 광 하이브리드에서 출력된 동위상 성분의 광잡음 및 직교위상 성분의 광잡음을 각각 전기 잡음으로 변환하는 복수의 광검출기; 상기 복수의 광검출기에서 출력된 전기 잡음을 각각 디지털 샘플링하는 복수의 아날로그 디지털 변환기; 및 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기에서 각각 출력된 전기 잡음을 근거로 난수열을 다중 출력하는 난수추출기;를 포함할 수 있다.
상기 난수추출기는 0과 1의 편향성분이 제거된 순수한 난수열을 출력할 수 있다.
상기 제1 광잡음과 상기 제2 광잡음은 동일한 편광 상태를 가질 수 있다.
상기 난수추출기는 일 실시예로서, 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제1 채널; 및 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 직교위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제2 채널을 포함할 수 있다.
일 실시예로서 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광잡음을 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리시키는 편광분리기를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 광 하이브리드는 상기 편광분리기에서 출력된 광잡음이 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트 중 적어도 하나로 입력될 수 있다.
일 실시예로서 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광잡음을 분기하는 광분할기를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 광 하이브리드는 상기 광분할기에서 분기된 두 개의 광잡음 중 적어도 하나가 입력될 수 있다.
상기 광분할기로 입력되는 광잡음은 X 편광 또는 Y 편광된 상태일 수 있다. 그리고 상기 광 하이브리드는 일 실시예로서, 상기 광분할기에서 분기된 두 개의 광잡음이 각각 제1 광잡음 및 제2 광잡음으로 입력될 수 있다.
일 실시예로서 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광잡음을 분기하는 적어도 하나의 광분할기 및 상기 광분할기에서 분기된 광잡음을 각각 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리시키는 복수의 편광분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 광 하이브리드는 일 실시예로서, 상기 복수의 편광분리기에서 각각 출력된 X 편광성분의 광잡음이 입력되는 제1 광 하이브리드 및 상기 복수의 편광분리기에서 각각 출력된 Y 편광성분의 광잡음이 입력되는 제2 광 하이브리드를 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 복수의 광검출기는 각각, 제1 광 하이브리드에서 출력된 X 편광 동위상 성분의 광잡음, 제1 광 하이브리드에서 출력된 X 편광 직교위상 성분의 광잡음, 제2 광 하이브리드에서 출력된 Y 편광 동위상 성분의 광잡음, 제2 광 하이브리드에서 출력된 Y 편광 직교위상 성분의 광잡음을 각각 전기 잡음으로 변환할 수 있다.
일 실시예로서 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기는 각각 상기 복수의 광검출기에서 출력된 전기 잡음을 디지털 샘플링할 수 있다.
일 실시예로서 상기 난수추출기는 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 전기 잡음을 근거로 난수열을 다중 출력할 수 있다.
일 실시예로서 상기 난수추출기는, 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 X 편광 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제1 채널; 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 X 편광 직교위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제2 채널; 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 Y 편광 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제3 채널; 및 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 Y 편광 직교상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제4 채널; 중 적어도 두 개의 채널을 포함할 수 있다.
일 실시예로서 다중 출력 양자 난수 발생기는, 상기 광잡음을 생성하는 적어도 하나의 광원을 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광원은 양자 특성을 갖는 잡음을 포함하는 광을 출력할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 일 실시예로서 자연방출광 광원 또는 레이저 광원일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 순수 난수 발생기가 다중출력을 갖는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 난수열이 GHz의 초고속으로 출력되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 블록도
도 5는 도 3의 실시예에서 생성된 x 편광 잡음 성분을 직교 좌표 평면에 나타낸 그래프,
도 6은 도 3의 실시예에서 생성된 y 편광 잡음 성분을 직교 좌표 평면에 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 붙였다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광원(110), 광을 분기하는 광분할기(120), 입력된 광을 합성하고 위상 분리하는 광 하이브리드(140), 광잡음을 전기잡음으로 변환하는 제1 및 제2 광검출기(151, 152), 전기잡음을 샘플링하는 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(161, 162), 샘플링된 전기 잡음을 근거로 난수열을 생성하는 난수추출기(170)를 포함한다.
상기 광원(110)은 잡음을 포함하는 광을 출력한다. 상기 잡음은 양자 특성을 갖는다. 또한 상기 잡음을 포함하는 광은 X 편광 성분 또는 Y 편광 성분으로 편광된 상태이다. 도 1에서는 X 편광된 상태를 기준으로 도시하였으며 이하에서는 X 편광된 상태를 가정하여 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니고 Y 편광 상태인 경우에도 동일하게 적용 가능하다.
상기 광원(110)은 잡음을 포함하는 광을 출력하는 공지의 어떠한 광원이어도 좋다. 예를 들어 상기 광원(110)은 레이저 광원일 수 있다. 또는 상기 광원(110)은 자연방출광 광원일 수 있다. 자연방출광 광원의 일 예로서 상기 광원(110)은 발광 다이오드(LED, light emitting diode)일 수 있다.
상기 광분할기(120)는 상기 광원(110)에서 출력된 잡음을 2개로 분기한다. 상기 광원(110)에서 출력된 X 편광 상태의 광잡음은 상기 광분할기(120)에 의해 분기되어 제1 광잡음(11) 및 제2 광잡음(12)으로 출력된다. 즉 상기 광분할기(120)는 하나의 입력포트를 통해 광잡음이 입력되고 두 개의 출력포트를 통해 분기된 광잡음이 출력된다.
상기 광 하이브리드(140)는 입력된 광잡음을 합성하고, 직교 좌표 평면의 동위상 성분 및 직교 위상 성분으로 분리하여 출력한다. 상기 광 하이브리드(140)는 상기 광분할기(120)에서 출력된 제1 광잡음(11) 및 제2 광잡음(12)이 각각 입력되는 제1 및 제2 입력포트(141, 142)를 포함한다.
상기 광 하이브리드(140)로 입력된 제1 및 제2 광잡음(11, 12)은 간섭현상에 의해 서로 합성된 후 동위상 성분(I)과 직교위상 성분(Q)으로 분리되어 출력된다. 상기 광 하이브리드(140)는 합성된 X 편광 잡음의 동위상 성분(13)이 출력되는 제1 출력 포트(143) 및 합성된 잡음의 직교위상 성분(14)이 출력되는 제2 출력 포트(144)를 포함한다. 즉 상기 제1 출력 포트(143)는 X 편광 동위상 포트이고, 상기 제2 출력 포트(144)는 X 편광 직교위상 포트이다.
상기 광 하이브리드(140)의 일 실시예는 광통신에서 위상변조된 광신호의 신호를 복원하는 코히어런트 광 수신기를 구성하는 광 하이브리드와 동일한 구성일 수 있다. 광통신용 코히어런트 광 수신기의 광 하이브리드는 위상변조된 광신호를 광학적으로 복원하는 장치로, 필요에 따라 커플러, 위상 시프터 등을 하나 이상 포함할 수 있다. 이러한 광 하이브리드의 구체적인 구성은 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 제1 및 제2 광검출기(151, 152)는 각각 X 편광 잡음의 동위상 성분(13) 및 X 편광 잡음의 직교 위상 성분(14)이 입력되어 전기잡음으로 변환된다. 상기 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(161, 162)는 상기 제1 및 제2 광검출기에서 각각 전기잡음으로 변환된 X 편광 잡음의 동위상 성분 및 직교위상 성분이 입력되어 샘플링된다.
상기 난수추출기(170)는 상기 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(161, 162)에서 각각 샘플링된 X 편광 잡음의 동위상 성분 및 직교위상 성분을 근거로 난수열을 생성하고 두 채널(171, 172)로 출력한다. X 편광 잡음의 동위상 성분과 직교위상 성분은 서로 독립적이므로 서로 분리하여 측정이 가능하다. 따라서 2채널로 난수열을 출력할 수 있다.
상기 난수추출기(170)는 상기 제1 아날로그 디지털 변환기(161)에서 샘플링된 X 편광 잡음의 동위상 성분의 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하여 제1 채널(171)을 통해 출력한다. 또한 상기 난수추출기(170)는 상기 제2 아날로그 디지털 변환기(162)에서 샘플링된 X 편광 잡음의 직교위상 성분의 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하여 제2 채널(172)을 통해 출력한다.
상기 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 숫자들을 근거로 복수의 0과 복수의 1을 나열하여 난수열을 생성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 기결정된 숫자를 근거로 0과 1을 포함하는 난수열을 생성하는 구체적인 방법은 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략하며, 상기 난수추출기는 특정 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하는 공지의 어떠한 난수 추출기여도 좋다. 상기 난수추출기는 0과 1의 편향성분이 제거된 순수한 난수열을 출력한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 블록도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 출력 양자 난수 발생기는, 제1 및 제2 광원(111, 112), 입력된 광을 합성하고 위상 분리하는 광 하이브리드(140), 광잡음을 전기잡음으로 변환하는 제1 및 제2 광검출기(151, 152), 전기잡음을 샘플링하는 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(161, 162), 샘플링된 전기 잡음을 근거로 난수열을 생성하는 난수추출기(170)를 포함한다.
상기 제1 광원 및 제2 광원(111, 112)은 잡음을 포함하는 광을 출력한다. 상기 잡음은 양자 특성을 갖는다. 제1 광원(111)에서 출력되는 광과 제2 광원(112)에서 출력되는 광의 편광 상태는 동일하다. 예를 들어 상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 모두 X 편광된 광을 출력할 수 있다. 또는 상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 모두 Y 편광된 광을 출력할 수 있다.
도 2에서는 X 편광된 상태를 기준으로 도시하였으며 이하에서는 X 편광된 상태를 가정하여 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니고 Y 편광 상태인 경우에도 동일하게 적용 가능하다. 상기 제1 및 제2 광원(111, 112)은 레이저 광원 또는 자연방출광 광원일 수 있다.
상기 광 하이브리드(140)는 입력된 광잡음을 합성하고, 직교 좌표 평면의 동위상 숭분 및 직교 위상 성분으로 분리하여 출력한다. 상기 광 하이브리드(140)는 상기 제1 광원에서 출력된 X 편광 상태의 제1 광잡음(16) 및 상기 제2 광원에서 출력된 X 편광 상태의 제2 광잡음(17)이 각각 입력되는 제1 및 제2 입력포트(141, 142)를 포함한다. 상기 광 하이브리드(140)는 도 1의 광 하이브리드와 동일한 구성으로, 번호를 동일하게 부여하였다.
상기 광 하이브리드(140)로 입력된 제1 및 제2 광잡음(16, 17)은 간섭현상에 의해 서로 합성된 후 동위상 성분(I)과 직교위상 성분(Q)으로 분리되어 출력된다. 상기 광 하이브리드(140)는 합성된 X 편광 잡음의 동위상 성분(18)이 출력되는 제1 출력 포트(143) 및 합성된 잡음의 직교위상 성분(19)이 출력되는 제2 출력 포트(144)를 포함한다. 즉 상기 제1 출력 포트(143)는 X 편광 동위상 포트이고, 상기 제2 출력 포트(144)는 X 편광 직교위상 포트이다.
상기 광 하이브리드(140)의 구성은 도 1의 광 하이브리드와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 또한 상기 제1 및 제2 광검출기(151, 152), 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(161, 162), 난수추출기(170)는 각각 도 1의 실시예에서와 구성 및 기능이 동일하며, 따라서 번호를 동일하게 부여하였고 상세한 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2의 실시예는 하나의 편광성분을 갖는 잡음을 동위상 및 직교위상 성분으로 분리하여 난수열이 2개의 채널로 출력된다. 이하에서는 잡음을 X 편광 및 Y 편광성분으로 분리하고 다시 동위상 및 직교위상 성분으로 각각 분리하여 난수열이 4개의 채널로 출력되는 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 블록도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 출력 양자 난수 발생기는, 광원(210), 광을 분기하는 광분할기(220), 입력된 광을 편광분리하는 제1 및 제2 편광분리기(230, 235), 입력된 광을 합성하고 위상 분리하는 제1 및 제2 광 하이브리드(240, 245), 광잡음을 전기잡음으로 변환하는 제1 내지 제4 광검출기(251, 252, 253, 254), 전기잡음을 샘플링하는 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기(261, 262, 263, 264), 샘플링된 전기 잡음을 근거로 난수열을 생성하는 난수추출기(270)를 포함한다.
상기 광원(210)은 잡음을 포함하는 광을 출력한다. 상기 잡음은 양자 특성을 갖는다. 상기 광원(210)에서 출력된 광은 도 1 및 도 2의 광원과 달리 편광분리되지 않은 광이 출력된다. 즉 상기 광원(210)에서 출력된 광은 X 편광성분 및 Y 편광성분을 모두 포함한다. 상기 광원(210)은 레이저 광원 또는 자연방출광 광원일 수 있다.
상기 광분할기(220)는 상기 광원(210)에서 출력된 잡음을 제1 광잡음(20)과 제2 광잡음(30)으로 분기한다. 상기 광분할기로 입력된 잡음은 X 편광성분 및 Y 편광성분을 모두 포함하며, 상기 광분할기에서 2개의 잡음으로 나뉜다. 상기 광분할기(220)에서 출력된 상기 제1 광잡음(20)과 상기 제2 광잡음(30)은 X 편광성분 및 Y 편광성분을 모두 포함한다. 상기 광분할기는 하나의 입력포트를 통해 광잡음이 입력되고 두 개의 출력포트를 통해 분기된 광잡음이 출력된다.
제1 및 제2 편광분리기(230, 235)는 광잡음을 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 편광분리기(230)는 상기 제1 광잡음(20)이 입력되는 입력포트를 포함한다. 또한 상기 제1 편광분리기(230)는 X 편광성분의 제1 광잡음(21)이 출력되는 X 편광 출력포트 및 Y 편광성분의 광잡음(22)이 출력되는 Y 편광 출력포트를 포함한다.
상기 제2 편광분리기(235)는 상기 광분할기(220)에서 상기 제2 광잡음(30)이 입력되는 입력포트를 포함한다. 또한 상기 제2 편광분리기(235)는 X 편광성분의 제2 광잡음(31)이 출력되는 X 편광 출력포트 및 Y 편광 성분의 제2 광잡음(32)이 출력되는 Y 편광 출력포트를 포함한다.
상기 제1 및 제2 광 하이브리드(240, 245)는 입력된 광잡음을 합성하고 직교 좌표 평면의 동위상 성분 및 직교 위상 성분으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 광 하이브리드(240)는 X 편광 성분의 광잡음에 대해서 위상 성분을 분리하며, 상기 제2 광 하이브리드(245)는 Y 편광 성분의 광잡음에 대해서 위상 상분을 분리한다.
상기 제1 광 하이브리드(240)는 X 편광 성분의 광잡음이 입력되는 제1 및 제2 입력포트(241, 242) 및 합성된 광잡음의 동위상 성분 및 직교위상 성분이 각각 출력되는 제1 및 제2 출력 포트(243, 244)를 포함한다.
상기 제1 입력포트(241)는 상기 제1 편광분리기(230)에서 출력된 X 편광성분의 제1 광잡음(21)이 입력되고, 상기 제2 입력포트(242)는 상기 제2 편광분리기(235)에서 출력된 X 편광 성분의 제2 광잡음(31)이 입력된다.
상기 제1 광 하이브리드(240)는 상기 X 편광 성분의 제1 광잡음과 상기 X 편광 성분의 제2 광잡음을 간섭현상에 의해 서로 합성하고 동위상 성분(I) 및 직교위상 성분(Q)으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 출력 포트(243)는 X 편광 동위상 포트로, 합성된 광잡음의 동위상 성분(41)이 출력된다. 상기 제2 출력 포트(244)는 X 편광 직교위상 포트로, 합성된 광잡음의 직교위상 성분(42)이 출력된다.
상기 제2 광 하이브리드(245)는 Y 편광 성분의 광잡음이 입력되는 제1 제2 입력 포트(246, 247) 및 합성된 광잡음의 동위상 성분 및 직교위상 성분이 각각 출력되는 제 1 및 제2 출력 포트(248, 249)를 포함한다.
상기 제1 입력포트(246)는 상기 제1 편광분리기(230)에서 출력된 Y 편광성분의 제1 광잡음(22)이 입력되고, 상기 제2 입력포트(247)는 상기 제2 편광분리기(235)에서 출력된 Y 편광성분의 제2 광잡음(32)이 입력된다.
상기 제2 광 하이브리드(245)는 상기 Y 편광성분의 제1 광잡음과 상기 Y 편광 성분의 제2 광잡음을 간섭현상에 의해 서로 합성하고 동위상 성분(I) 및 직교위상 성분(Q)으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 출력 포트(248)는 Y 편광 동위상 포트로, 합성된 광잡음의 동위상 성분(43)이 출력된다. 상기 제2 출력 포트(249)는 Y 편광 직교위상 포트로, 합성된 광잡음의 직교위상 성분(44)이 출력된다.
상기 제1 광 하이브리드 및 제2 광 하이브리드는 도 1의 실시예의 광 하이브리드(140)와 그 구성이 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 제1 내지 제4 광검출기는 입력된 광잡음을 전기잡음으로 변환한다. 제1 광검출기(251)는 X 편광 잡음의 동위상 성분(41)을 전기잡음으로 변환하며, 제2 광검출기(252)는 X 편광 잡음의 직교위상 성분(42)을 전기잡음으로 변환한다. 제3 광검출기(253)는 Y 편광 잡음의 동위상 성분(43)을 전기잡음으로 변환하며, 제4 광검출기(254)는 Y 편광 잡음의 직교위상 성분(44)을 전기잡음으로 변환한다.
상기 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기는 각각 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 출력된 전기잡음을 임의의 정수로 샘플링한다. 상기 제1 아날로그 디지털 변환기(261)는 상기 제1 광검출기에서 출력된 X 편광 전기잡음의 동위상 성분을 샘플링하고 상기 제2 아날로그 디지털 변환기(262)는 상기 제2 광검출기에서 출력된 X 편광 전기잡음의 직교위상 성분을 샘플링한다. 상기 제3 아날로그 디지털 변환기(263)는 상기 제3 광검출기에서 출력된 Y 편광 전기잡음의 동위상 성분을 샘플링하고 상기 제4 아날로그 디지털 변환기(264)는 상기 제4 광검출기에서 출력된 Y 편광 전기잡음의 직교위상 성분을 샘플링한다.
상기 난수추출기(270)는 상기 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기에서 각각 샘플링된 X 편광 잡음의 동위상 및 직교위상 성분과 Y 편광 잡음의 동위상 및 직교위상 성분의 숫자들을 근거로 난수열을 생성하고 4개의 채널(271, 272, 273, 274)로 출력한다. 또한 상기 난수추출기(270)는 0과 1의 편향성분이 제거된 순수한 난수열을 출력한다.
상기 난수추출기(270)는 상기 제1 아날로그 디지털 변환기(261)에서 샘플링된 X 편광 잡음의 동위상 성분의 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하여 제1 채널(271)을 통해 출력한다. 상기 난수추출기(270)는 상기 제2 아날로그 디지털 변환기(262)에서 샘플링된 X 편광 잡음의 직교위상 성분의 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하여 제2 채널(272)을 통해 출력한다. 마찬가지로 상기 난수추출기(270)는 샘플링된 Y 편광 잡음의 동위상 성분의 숫자들 및 Y 편광 잡음의 직교위상 성분의 숫자들을 근거로 각각 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하여 제3 채널(273) 및 제4채널(274)을 통해 출력한다.
기결정된 숫자를 근거로 0과 1을 포함하는 난수열을 생성하는 구체적인 방법은 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략하며, 상기 난수추출기는 특정 숫자들을 근거로 0과 1로 이루어진 난수열을 생성하는 공지의 어떠한 난수 추출기여도 좋다.
광잡음의 동위상 성분과 직교위상 성분은 서로 독립적이므로 서로 분리하여 측정이 가능하고 광원의 잡음을 X 편광 성분 및 Y 성분으로 분리시켜서 편광별로 동위상 및 직교위상 성분을 코히어런트하게 측정하므로 4채널로 난수열을 출력할 수 있다. 상기 난수추출기는 편향성분이 제거된 난수열을 출력한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 블록도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 출력 양자 난수 발생기는, 제1 및 제2 광원(211, 212), 입력된 광을 편광분리하는 제1 및 제2 편광분리기(230, 235), 입력된 광을 합성하고 위상 분리하는 제1 및 제2 광 하이브리드(240, 245), 광잡음을 전기잡음으로 변환하는 제1 내지 제4 광검출기(251, 252, 253, 254), 전기잡음을 샘플링하는 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기(261, 262, 263, 264), 샘플링된 전기 잡음을 근거로 난수열을 생성하는 난수추출기(270)를 포함한다.
상기 제1 광원 및 제2 광원(211, 212)은 잡음을 포함하는 광을 출력한다. 상기 잡음은 양자 특성을 갖는다. 상기 제1 및 제2 광원에서 출력된 광은 X 편광성분 및 Y 편광성분을 모두 포함한다. 상기 제1 및 제2 광원(211, 212)은 레이저 광원 또는 자연방출광 광원일 수 있다.
제1 및 제2 편광분리기(230, 235)는 광잡음을 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 편광분리기(230)는 상기 제1 광원(211)에서 출력된 잡음이 입력되는 입력포트를 포함한다. 또한 상기 제1 편광분리기(230)는 X 편광성분의 제1 광잡음(21)이 출력되는 X 편광 출력포트 및 Y 편광성분의 광잡음(22)이 출력되는 Y 편광 출력포트를 포함한다.
상기 제2 편광분리기(235)는 상기 제2 광원(212)에서 출력된 잡음이 입력되는 입력포트를 포함한다. 또한 상기 제2 편광분리기(235)는 X 편광성분의 제2 광잡음(31)이 출력되는 X 편광 출력포트 및 Y 편광 성분의 제2 광잡음(32)이 출력되는 Y 편광 출력포트를 포함한다.
상기 제1 및 제2 광 하이브리드(240, 245)는 입력된 광잡음을 합성하고 직교 좌표 평면의 동위상 성분 및 직교 위상 성분으로 분리하여 출력한다. 상기 제1 광 하이브리드(240)는 X 편광 성분의 광잡음에 대해서 위상 성분을 분리하며, 상기 제2 광 하이브리드(245)는 Y 편광 성분의 광잡음에 대해서 위상 상분을 분리한다.
상기 제1 및 제2 광 하이브리드(240, 245)는 상술한 도 3의 제1 및 제2 광 하이브리드와 동일한 구성으로, 번호를 동일하게 부여하였으며 상세한 설명을 생략한다. 또한 상기 제1 내지 제4 광검출기(251, 252, 253, 254), 상기 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기(261, 262, 263, 264), 상기 난수추출기(270)는 각각 도 3의 실시예에서와 구성 및 기능이 동일하며, 따라서 번호를 동일하게 부여하였고 상세한 설명을 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예들의 난수추출 원리를 설명한다. 예를 들어, 도 3의 실시예의 X 편광 잡음의 동위상 성분(41) 및 직교위상 성분(42)을 각각 고속의 제1 및 제2 아날로그 디지털 변환기(261, 262)로 샘플링하여 GHz의 속도로 난수열을 생성할 수 있는데 도 5는 이를 도시한 것이다. 마찬가지로, 도 6은 도 3의 실시예의 Y 편광 잡음의 동위상 성분(43) 및 직교위상 성분(44)을 각각 고속의 제3 및 제4 아날로그 디지털 변환기(263, 264)로 샘플링한 결과이다.
도 5는 동위상 및 직교위상 성분으로 분리된 x 편광 성분의 전기잡음을 3비트의 해상도를 갖는 고속 아날로그 디지털 변환기로 측정하였을 때 나타난 값을 그래프로 도시한 것이다. 도 5의 x축은 동위상 성분(I)이고 y 축은 직교위상 성분(Q)이다. 일 예로서 도 5의 그래프에 X 편광에서 동위상 잡음 성분이 6이고 직교위상 잡음 성분이 5인 점 (6, 5)이 측정된다. 따라서 상기 제1 아날로그 디지털 변환기(261)에서 6이 출력되며, 상기 제2 아날로그 디지털 변환기(262)에서 5가 출력된다. 이와 마찬가지로 도 5의 각 점의 x 축 숫자들이 상기 제1 아날로그 디지털 변환기에서 출력되며, 도 5의 각 점의 y 축 숫자들이 상기 제2 아날로그 디지털 변환기에서 출력될 수 있다.
상기 난수추출기(270)에서는 상기 제1 아날로그 디지털 변환기(261)에서 출력된 6을 근거로 기결정된 난수열 생성 알고리즘에 따라 0 또는 1이 결정되며, 이러한 방식으로 상기 제1 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 복수의 숫자를 근거로 0과 1을 포함하는 난수열을 생성하여 제1 채널(271)을 통해 출력한다. 또한 상기 난수추출기(270)에서는 상기 제2 아날로그 디지털 변환기(262)에서 출력된 5를 근거로 기결정된 난수열 생성 알고리즘에 따라 0 또는 1이 결정되며, 이러한 방식으로 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제2 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 복수의 숫자를 근거로 0과 1을 포함하는 난수열을 생성하여 제2 채널(272)을 통해 출력한다.
상술한 바와 같이 상기 기결정된 난수열 생성 알고리즘은 공지된 어떠한 난수열 생성 알고리즘이여도 좋다.
도 6은 동위상 및 직교위상 성분으로 분리된 Y 편광 성분의 전기잡음을 3비트의 해상도를 갖는 고속 아날로그 디지털 변환기로 측정하였을 때 나타난 값을 그래프로 도시한 것이다. 도 6의 x축은 동위상 성분(I)이고 y 축은 직교위상 성분(Q)이다. 상기 제3 아날로그 디지털 변환기(263)는 도 6의 각 점의 x축 숫자들을 출력하며, 상기 제4 아날로그 디지털 변환가(264)는 도 6의 각 점의 y축 숫자들을 출력할 수 있다. 그리고 상기 난수추출기(270)는 상기 제3 및 제4 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 숫자들을 근거로 상기 기결정된 난수열 생성 알고리즘에 따라 각각 난수열을 생성하고, 제3 및 제4 채널(273, 274)를 통해 각 난수열을 출력할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 잡음 성분은 직교 좌표 평면에서 임의의 점에서 독립적으로 랜덤하게 측정될 수 있으므로 다중 출력을 가질 수 있다.
본 발명은 광통신용 코히어런트 광 수신기의 광 하이브리드 구성을 직교좌표평면에서 광원의 위상이나 크기 잡음의 코히어런트한 측정에 적용한 것으로, 이를 통해 다중 출력을 갖는 양자 물리학 기반의 고속 순수 난수 발생기를 구현한다.
상술한 실시예들에서는 광잡음의 동위상 성분 및 직교위상 성분을 각각 코히어런트하게 측정하여 난수열을 2채널로 출력할 수 있으며, 편광성분별로 코히어런트하게 측정하여 4채널의 출력할 수도 있다. 또한 상술한 실시예들에서는 아날로그 디지털 변환기의 출력단에 난수추출기가 배치되므로 순수 난수 발생기가 구현되며 고속의 아날로그 디지털 변환기로 샘플링하여 고속으로 난수열이 생성된다.
110, 120 : 광원 120, 220 : 광분할기
140 : 광하이브리드 240, 245 : 제1 및 제2 광하이브리드
170, 270 : 난수추출기

Claims (12)

  1. 광잡음이 각각 입력되는 제1 및 제2 입력포트를 포함하고, 상기 제1 입력포트로 입력된 제1 광잡음과 상기 제2 입력포트로 입력된 제2 광잡음이 합성되고 동위상 성분과 직교위상 성분으로 분리되는 광 하이브리드;
    상기 광 하이브리드에서 출력된 동위상 성분의 광잡음 및 직교위상 성분의 광잡음을 각각 전기 잡음으로 변환하는 복수의 광검출기;
    상기 복수의 광검출기에서 출력된 전기 잡음을 각각 디지털 샘플링하는 복수의 아날로그 디지털 변환기; 및
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기에서 각각 출력된 전기 잡음을 근거로 난수열을 다중 출력하는 난수추출기;를 포함하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 난수추출기는 0과 1의 편향성분이 제거된 난수열을 출력하는 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광잡음과 상기 제2 광잡음은 동일한 편광 상태를 갖고,
    상기 난수추출기는,
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제1 채널; 및
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 직교위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제2 채널;을 포함하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  4. 제 3항에 있어서,
    광잡음을 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리시키는 편광분리기;를 더 포함하고,
    상기 광 하이브리드는, 상기 편광분리기에서 출력된 광잡음이 상기 제1 입력 포트 및 상기 제2 입력 포트 중 적어도 하나로 입력되는 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  5. 제 1항에 있어서,
    광잡음을 분기하는 광분할기;를 더 포함하고,
    상기 광 하이브리드는, 상기 광분할기에서 분기된 두 개의 광잡음 중 적어도 하나가 입력되는 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광분할기로 입력되는 광잡음은 X 편광 또는 Y 편광된 상태이고,
    상기 광 하이브리드는, 상기 광분할기에서 분기된 두 개의 광잡음이 각각 제1 광잡음 및 제2 광잡음으로 입력되는 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  7. 제 5항에 있어서,
    광잡음을 분기하는 적어도 하나의 광분할기; 및
    상기 광분할기에서 분기된 광잡음을 각각 X 편광성분과 Y 편광성분으로 분리시키는 복수의 편광분리기;를 더 포함하고,
    상기 광 하이브리드는,
    상기 복수의 편광분리기에서 각각 출력된 X 편광성분의 광잡음이 입력되는 제1 광 하이브리드; 및
    상기 복수의 편광분리기에서 각각 출력된 Y 편광성분의 광잡음이 입력되는 제2 광 하이브리드를 포함하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 광검출기는 각각, 제1 광 하이브리드에서 출력된 X 편광 동위상 성분의 광잡음, 제1 광 하이브리드에서 출력된 X 편광 직교위상 성분의 광잡음, 제2 광 하이브리드에서 출력된 Y 편광 동위상 성분의 광잡음, 제2 광 하이브리드에서 출력된 Y 편광 직교위상 성분의 광잡음을 각각 전기 잡음으로 변환하고,
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기는 각각 상기 복수의 광검출기에서 출력된 전기 잡음을 디지털 샘플링하고,
    상기 난수추출기는, 상기 복수의 아날로그 디지털 변환기에서 출력된 전기 잡음을 근거로 난수열을 다중 출력하는 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 난수추출기는,
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 X 편광 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제1 채널;
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 X 편광 직교위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제2 채널;
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 Y 편광 동위상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제3 채널; 및
    상기 복수의 아날로그 디지털 변환기 중 하나에서 샘플링된 Y 편광 직교상 성분의 전기잡음을 근거로 생성된 난수열을 출력하는 제4 채널; 중 적어도 두 개의 채널을 포함하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광잡음을 생성하는 적어도 하나의 광원;을 더 포함하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 레이저 광원 또는 자연방출광 광원인 것을 특징으로 하는
    다중 출력 양자 난수 발생기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 광검출기는,
    상기 광잡음을 코히어런트하게 측정하고, 측정된 광잡음에 기초하여 난수열을 다중으로 출력하는다중 출력 양자 난수 발생기.
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