KR20170007781A - 난수 생성 방법 및 난수 생성기 - Google Patents

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Abstract

하나의 도체로부터 다른 도체로 양자 터널링 장벽을 가로지르는 전하의 랜덤 터널링으로부터 랜덤 신호가 획득될 수 있다. 랜덤 신호는 증폭되어 난수에 연관될 수 있다. 이러한 연관은 난수의 시퀀스를 생성하도록 반복해서 수행될 수 있다.

Description

난수 생성 방법 및 난수 생성기{METHOD FOR GENERATING RANDOM NUMBERS AND ASSOCIATED RANDOM NUMBER GENERATOR}
본 발명은 일반적으로 난수 생성의 분야에 관한 것이다.
난수는 암호화, 운에 좌우되는 게임, 과학 미적분학 및/또는 통계적 연구 등의 수많은 분야에서 가치 있게 응용되고 있다. 이러한 응용예에서 난수의 예측가능성은 예를 들면, 보안화되지 않은 통신, 부정 행위 및/또는 신뢰성이 결여된 과학적 결과 등을 초래할 수 있으므로 생성된 난수의 무작위성이 매우 중요하다.
난수 생성기에서 추구되는 특성에는, 가격 결정, 다량 등의 측면에서 비교적 접근이 용이한 디바이스를 사용하면서도 난수를 비교적 높은 레이트로 생성할 수 있는 능력이 포함된다.
이러한 요구를 충족하기 위해서, 종전에 통상적으로 사용되던 방법은 의사 난수 알고리즘 및/또는 재료의 의사 난수 물리적 특성에 의존하였다. 이러한 방법에 의해 생성되는 난수는 얼핏 보기에는 완전히 무작위적인 것처럼 보일 수 있지만(이러한 난수는 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 난수 생성기에 대한 통계 테스트 스위트를 통과할 수도 있음), 이러한 의사 난수 생성기는 종종 결정론적인 접근법에 기초하고, 따라서 흠결(이러한 흠결이 결국 발견된다면 결과의 예측을 허용할 수 있음)을 가질 수 있다.
그러므로, 난수 생성을 이루어 내기 위한 적합한 디바이스를 제공함에 있어서 개선의 여지가 있다.
고전 역학과는 대조적으로, 양자 역학은 본질적으로 랜덤한 특성을 나타낸다. 본 명세서에서는 양자 역학의 이러한 본질적으로 랜덤한 특성이 난수 생성을 위해 활용될 수 있는 방법을 제시한다.
보다 구체적으로는 양자 터널링 장벽을 가로질러 랜덤하게 터널링되는 전하(음전하 전자 또는 양전하 홀)를 수반하는 난수 생성 방법이 제시된다. 이와 같이 터널링된 전하는 저준위의 랜덤한 전기적 노이즈를 생성할 수 있으며, 이는 양자 소스로부터 난수를 획득하기 위해 필터링, 증폭 및 샘플링될 수 있다. 이러한 방법은 비교적 단순한 전기 컴포넌트로 구현될 수 있으므로 통상적인 보드 상에서 쉽게 사용 가능하다.
장벽은 고전적인 반사의 메커니즘에 의해 전하를 밀어낸다. 그러나 양자 터널링 효과로 인하여, 몇몇 전하가 장벽을 가로질러 나아가고, 따라서 한 도체로부터 다른 도체로 성공적으로 통과하게 된다. 이러한 양자 터널링 효과는 내재적으로 랜덤하며, 따라서 난수를 생성하는데 이용된다. 포텐셜의 차(예컨대, 바이어싱), 장벽, 증폭, 필터링 등을 통해 이러한 양자 터널링 효과를 정확히 계량함으로써, 양자 터널링 효과로부터 생기는 난수가 충분히 활용되어 진정한 난수에 연관될 수 있다. 나아가, 전기 컴포넌트의 계량 및 선택에 의해 놀랍도록 단순한 전기 컴포넌트를 이용하여 충분한 레이트로 이러한 난수를 생성할 수도 있다. 양자 터널링 장벽은 예컨대, 도체들 사이에 개재된 전기적 절연체의 형태일 수 있다.
이후, 양자 터널링 장벽을 가로질러 랜덤한 전기적 노이즈(본 명세서에서는 랜덤 신호라 지칭)를 생성할 수 있는 전하는 진정으로 랜덤한 방식으로 이를 수행할 수 있으며, 양자 터널링은 복잡하지만 결정론적인 요소로부터 벗어나 진정하게 랜덤한 양자 프로세스로 알려진 바 있다.
나아가, 양자 터널링 장벽이 장착되고 전압원(전하의 소스)에 연결되도록 되어 있는 보드 또는 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함하는 난수 생성기가 제시되며, 이러한 전압원은 보드 상에 직접 통합되거나 별개로 제공될 수 있다. 양자 터널링은 높은 레이트로 양자 터널링 장벽을 가로질러 터널링될 수 있는 다량의 터널링된 전하를 수반할 수 있으므로, 이러한 난수 생성기는 이론적으로는 매우 신속하게 난수를 생성하고 획득할 수 있다.
일 양태에 따르면, 적어도 하나의 난수를 생성하기 위한 방법이 제시되며 이러한 방법은: 하나의 도체로부터 다른 도체로 양자 터널링 장벽을 가로질러 전하를 양자 터널링시키는 단계; 상기 전하의 양자 터널링으로부터 생기는 랜덤 신호를 수신하는 단계; 상기 랜덤 신호를 난수에 연관시키는 단계; 및 상기 난수를 나타내는 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 난수 생성기가 제시되는데 이러한 생성기는: 보드; 랜덤 신호를 생성하기 위해 두 도체 사이에서 상기 보드에 장착되어 전하가 상기 도체 중의 하나로부터 다른 하나로 랜덤 터널링될 수 있게 하는 양자 터널링 장벽; 상기 보드에 장착되고, 상기 랜덤 신호를 증폭시키기 위해 상기 두 도체 중 하나에 연결되는 증폭기; 및 상기 랜덤 신호를 적어도 하나의 난수에 실시간으로 연관시키기 위해 상기 보드에 장착되고 상기 증폭기에 연결되는 샘플링 디바이스를 포함한다.
일 양태에 따르면, 적어도 하나의 난수를 생성하기 위한 방법이 제시되며, 이러한 방법은: 적어도 하나의 절연체 층에 의해 분리되는 2개의 도전성 층에 걸쳐 포텐셜의 차를 인가하는 단계로서, 상기 포텐셜의 차는 상기 적어도 하나의 절연체를 가로지르는 전하의 랜덤 양자 터널링을 일으켜 랜덤 신호를 생성하는, 인가 단계; 및 상기 랜덤 신호를 난수에 연관시키는 단계를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 난수 생성기가 제시되는데 이러한 생성기는: 보드; 이러한 보드에 장착되며 적어도 2개의 도전성 층과 그 사이에 적어도 하나의 절연체 층을 가지는 양자 터널링 장벽 ― 적어도 하나의 절연체 층은 2개의 도전성 층 중 대응하는 도전성 층과 각각 접촉하는 2개의 외측 양면을 가지고, 2개의 도전성 층은 전압원의 제1 단자 및 제2 단자에 연결 가능하며, 양자 터널링 장벽은 전압원이 작동될 때 랜덤 신호를 생성하도록 전하가 랜덤하게 터널링될 수 있게 함 ―; 보드에 장착되고, 랜덤 신호를 증폭하기 위해 2개의 도전성 층 중 하나에 연결되는 증폭기; 랜덤 신호를 적어도 하나의 난수에 연관시키기 위해 보드에 장착되고 증폭기에 연결되는 샘플링 디바이스를 포함한다.
통상의 기술자라면 본 개시내용을 살펴볼 때 본 발명에 관한 수많은 추가적인 특징 및 특징의 조합을 명백히 알 수 있을 것이다.
도 1은 난수 생성과 연관된 흐름도이다.
도 2는 절연체 층에 대한 전자의 고전적인 반사의 예와 절연체 층을 통한 전자의 양자 터널링의 예를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 맵핑의 일례를 나타낸다.
도 4는 난수 생성기의 일례와 연관된 전기 회로이다.
도 5a 내지 5c는 적어도 하나의 절연체 층을 갖는 양자 터널링 장벽을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 양자 터널링 장벽의 일례를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 양자 터널링 장벽을 제조하기 위한 포토리소그래피 공정의 일례의 단계들을 개략적으로 나타낸다.
도 1은 양자 터널링 장벽을 가로지르는 전하(전자 또는 홀)의 랜덤 양자 터널링의 원리에 기초하여 난수를 생성하기 위한 방법과 연관된 흐름도이다. 도 2를 참조로 하여 보다 상세하게 논의하는 바와 같이, 양자 터널링 장벽은 두 도체 사이의 일정 간격의 형태일 수 있고, 이를 통해 전하는 고전적인 반사에 의해 반사되거나 양자 터널링에 의해 통과할 수 있다. 양자 터널링 장벽을 가로지르는 전하의 랜덤 터널링으로 생기는 랜덤 신호가 수신(감지, 모니터링)되어, 예를 들면 신호의 실시간 진폭에 기초하여 컴퓨터 또는 전기 컴포넌트에 의해 랜덤 신호가 난수에 연관될 수 있다. 이러한 프로세스는 충분한 레이트로 그리고 충분한 횟수로 반복될 수 있다.
랜덤 양자 터널링은 선택적으로 양자 터널링 장벽 양단에 인가되는 포텐셜의 차에 의해 보조될 수 있다. 양자 터널링 장벽은, 전하의 고전적인 반사를 일으키면서도 전하가 양자 프로세스로 인해 이러한 장벽을 랜덤하게 터널링할 수 있는 방식으로 선택될 수 있다. 양자 터널링 장벽은 도 5a, 5b, 5c를 참조하여 이하 서술되는 바와 같이 하나 이상의 중첩된 절연 층의 형태로 제공될 수 있으며, 이러한 경우 도체는 예를 들어 하나 이상의 절연 층에 적용된 도전성 층을 포함할 수 있다. 포텐셜의 차를 인가하는 단계가 수행됨에 따라, 이러한 포텐셜의 차에 의하여, 적어도 하나의 절연체 층으로 형성된 고유한 포텐셜 장벽으로 인해 전하가 하나의 도전체 층으로부터 다른 도전체 층으로 전도되는 것이 방지될 수 있다. 나아가, 양자 터널링 장벽의 절연체 층은 양자 터널링 장벽을 가로지르는 전하의 랜덤 터널링을 위해 활용될 수 있다. 이러한 방법은 또한 랜덤하게 터널링된 전하에 기초하여 랜덤 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
실제로, 전하는 하나의 도전성 층으로부터 다른 도전성 층으로 터널링됨에 따라, 터널링된 전하의 흐름 또는 전류가 양자 터널링 장벽의 절연체 층을 통과한다. 따라서 이렇게 랜덤하게 터널링된 전하는 랜덤 신호를 생성하게 되며, 이는 주어진 시간에 수신된 랜덤 신호를 디지털 난수에 연관시키는 단계에서 처리될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양자 터널링 장벽은 유입되는 전하에 대해 반사체로서 작용하는 적어도 하나의 절연체 층을 가진다. 따라서, 이러한 적어도 하나의 절연체 층을 통과하는 전하는 양자 터널링에 의해 포텐셜 장벽을 랜덤하게 가로지름으로써 이를 수행하게 된다.
나아가, 이러한 방법은 2개의 도전성 층 상에 인가되는 포텐셜의 차를 고정하기 위해 포텐셜의 차를 바이어싱하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 0.1 MHz 미만 그리고 6000 MHz 초과의 주파수를 갖는 랜덤 신호의 컴포넌트들은 랜덤 신호로부터 필터링되어, 랜덤 신호로부터 도전성 층에 연결된 다른 전기 컴포넌트에 기인할 수 있는 임의의 노이즈를 제거할 수 있다. 실제로, 랜덤 신호에서 직류(DC) 부분과 보다 높은 주파수가 제거될 수 있다.
터널링된 전하에 의해 생성된 랜덤 신호는 가까스로 측정 가능하므로, 난수를 생성하기 위한 방법은 랜덤 신호를 증폭하는 단계를 포함할 수 있다. 랜덤 신호의 이용은, 노이즈의 잠재적으로 바람직하지 않은 컴포넌트들을 다루는데 적합한 것으로서, 0.1 MHz 내지 1000 MHz 범위의 주파수를 갖는 랜덤 신호의 컴포넌트들로 제한될 수 있다. 달리 말하면, 예를 들어 직류(DC) 부분과 보다 높은 주파수를 갖는 랜덤 신호의 컴포넌트들은 증폭되지 않는다.
랜덤 신호를 디지털 난수에 연관시키는 단계는 본 명세서에서 랜덤 신호를 샘플링한다고 지칭되는 단계를 포함할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 실제로, 샘플링 단계는 랜덤 신호의 순간적인 레벨(실시간)을 특정 디지털 숫자에 연관시킬 수 있다. 이러한 특정 디지털 숫자가 일단 랜덤 신호의 순간적인 레벨에 연관되면, 더 유효한 자리의 비트를 구별해내고 덜 유효한 자리의 비트만을 유지할 수 있어, 이로부터 획득된 디지털 난수의 균일한 분포를 생성하는 효과를 낳는다. 예를 들어, 샘플링 단계가 랜덤 신호를 8-비트 디지털 숫자로 디지털화한다면, 4개의 더 유효한 자리의 비트를 구별해내고 4개의 덜 유효한 자리의 비트를 이용할 수 있다.
나아가, 양자 터널링은 높은 레이트로 양자 터널링 장벽을 가로질러 터널링될 수 있는 많은 양의 터널링된 전하를 수반할 수 있기 때문에, 랜덤 신호를 생성하는 단계는 랜덤 신호의 매우 빠른 변화를 허용할 수 있고, 이로써 디지털 난수를 신속한 레이트로 획득할 수 있게 된다. 예를 들어, 400000 kbit/s를 넘어서는, 바람직하게는 1000 Mbit/s를 넘어서는, 더 바람직하게는 8 Gbit/s를 넘어서는 샘플링 레이트로 랜덤 신호를 샘플링하는 것이 가능해진다. 그러나, 생성되는 난수의 총 수를 늘리기 위해 둘 이상의 난수 생성기가 병렬로 연결될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들면, 각각 8 Gbit/s(1 GB/s)의 생성 레이트를 갖는 2개의 난수 발생기를 병렬로 연결함으로써 16 Gbit/s(2 GB/s)의 총 생성 레이트가 달성될 수 있는 등이다.
도 4는 난수 생성기의 일례와 연관된 전기 회로(10)를 나타낸다. 이러한 난수 생성기는 일반적으로 전기 회로(10)가 장착된 보드(미도시)를 포함한다. 난수 생성기의 전기 회로(10)는 양자 터널링 장벽(12), 바이어싱 디바이스(20), 증폭기(16), 샘플링 디바이스(18) 및 필터(14)를 포함할 수 있고, 이는 보드 상에 장착 가능하다. 보드는 예를 들면, 컴포넌트들을 기계적으로 지지하고 비-도전성 기판 상에 적층된 구리 시트(copper sheet)로부터 에칭된 도전성 트랙을 통해 컴포넌트들을 서로 전기적으로 연결하는 인쇄 회로 보드(PCB)일 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 양자 터널링 장벽은 도체로 기능하는 도전성 층들 사이에 개재된 하나 이상의 절연체 층의 형태인 양자 터널링 장벽을 가지는 양자 터널링 컴포넌트의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 도전성 층은 예컨대, 금속성 재료 또는 반도체 재료로 만들어질 수 있는 한편, 절연체 층은 고전적인 반사를 통해 절연체 층을 통한 전자(또는 홀)의 자유 전도를 충분히 막는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 실제로, 양자 터널링에 의해 가로지를 수 있는 에너지 장벽을 제공할 수 있는 임의의 재료가 양자 터널링 장벽에 이용될 수 있다. 예를 들면, 절연체 층은 비-도핑된 반도체로 만들어질 수 있다. 따라서, 2개의 도전성 층은 반도체 재료로 만들어질 수 있는 한편, 절연체 층은 절연 반도체로 만들어질 수 있다는 점에 주목해야 한다. 이러한 예에서, 절연 반도체는 전하(전자 또는 홀)가 양자 터널링에 의해 가로질러 통과하도록 하는 밴드 갭을 가질 수 있고, 2개의 도전성 층은 n-도핑 또는 p-도핑될 수 있다. 절연체 층은 2개의 도전성 층 중에서 대응하는 도전성 층과 각각 접촉하는 2개의 외측 양면을 가지며, 이러한 2개의 도전성 층은 전압원의 제1 단자 및 제2 단자에 연결 가능할 수 있다. 전압원은 보드 상에 장착되어 양자 터널링 장벽의 도전성 층에 고정 연결될 수 있거나 이와는 별개로 제공될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
이러한 실시예에서, 바이어싱 단계를 수행하기 위해 바이어싱 디바이스(20)가 이용될 수 있고, 증폭기(16)는 랜덤 신호를 증폭하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있으며, 샘플링 디바이스(18)는 랜덤 신호를 샘플링하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있고, 필터(14)는 랜덤 신호를 필터링하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있다. 필터는 양자 터널링 장벽에 연결될 수 있고, 양자 터널링 장벽은 차례로 증폭기 및 샘플링 디바이스에 연결된다. 서로 동작 가능하게 연결될 때, 전기 회로는 난수를 획득하기 위해 랜덤 신호를 순간적으로 샘플링할 수 있다. 나아가, 바이어싱 디바이스는 양자 터널링 장벽에 인가되는 포텐셜의 차를 고정할 수 있다. 따라서, 이러한 바이어싱 디바이스의 바이어스는, 예를 들어 증폭기 또는 샘플링 디바이스에 의해 전기 회로에 포함될 수 있는 임의의 노이즈를 포괄하도록 조정될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 양자 터널링 장벽의 세 가지 예를 나타낸다. 이러한 예에서는 하나 또는 둘 이상의 절연체 층이 이용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5a는 제1 두께(d1)를 갖는 절연체 층을 나타내고, 도 5b는 각각 제1 두께(d1) 및 제2 두께(d2)를 갖는 2개의 절연체 층을 갖는 양자 터널링 장벽을 나타낸다. 또한 예시적인 방식으로, 도 5c는 각각 제1 두께(d1), 제2 두께(d2), 제2 두께(d3)를 갖는 3개의 절연체 층을 갖는 양자 터널링 장벽을 나타낸다. 단지 세 가지 예만이 제공되어 있지만, 양자 터널링 장벽은 4개 이상의 절연체 층을 가질 수도 있다. 절연체 층의 재료는 다양할 수 있으며, 연속하는 하나의 층과 다른 하나의 층에 다른 재료가 사용될 수 있다. 통상적으로, 연속하는 층들은 장벽 효과의 레벨의 측면에서 가산적인 효과를 가져올 수 있고, 필요한 경우 복수의 층을 이용하여 원하는 레벨에 도달할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 양자 터널링 장벽을 개략적인 평면도로 나타낸 것이다. 본 예에서, 양자 터널링 장벽의 도전성 층은 알루미늄 등의 금속성 재료로부터 에칭되며, 이산화규소 등의 비-도전성 기판 상에 적층된다. 양자 터널링 장벽은 적색으로 도시되어 있고, 예를 들면 10 ㎛ x 1 ㎛의 치수를 갖는 약 10 ㎛2의 중첩 영역을 가진다. 이러한 예에서는 또한, 절연체 층이 2개의 도전성 층 사이에 포함되며, 전하는 상부의 도전성 층으로부터 하부의 도전성 층으로 양자 터널링에 의해 이동할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 절연체 층은 알루미늄 산화물(Al2O3)로 만들어질 수 있다. 절연체 층의 두께는 예컨대, 1 nm이고 대략 50 옴의 저항을 가질 수 있음을 알 수 있다. 양자 터널링 장벽의 저항은 중첩 영역에 따라 달라질 수 있다고 알려져 있다.
양자 터널링 장벽의 제조 방법은 다양할 수 있지만, 이제 도 7을 참조로 하여 Dolan 브리지로 알려진 포토리소그래피 기법에 기초한 예시적인 제조 방법이 제시될 것이다. 본 예에서는, SF-100 Xpress 등의 포토리소그래피 시스템이 LOR30B 및 S1813으로 지칭되는 수지(resin)와 동시에 이용되었다. 실제로, 이러한 제조 방법은 기판에서 불순물을 세정하는 단계(a), 세정된 기판 상에 LOR30B의 층을 도포하는 단계, LOR30B 수지의 층 상에 S1813 수지의 층을 도포하는 단계(b)를 포함할 수 있다. 그 다음에, (Dolan 브리지를 형성할 수 있는) 소정 세그먼트를 제외하고는 S1813 수지를 UV 광에 노출시키는 추가적인 단계(c)가 수행될 수 있다. 그 후 UV 광에 노출된 S1813 수지의 층을 화학적으로 제거하는 단계 및 S1813 층의 세그먼트(Dolan 브리지라 지칭됨)를 그대로 남겨두기 위해 LOR30B의 층을 화학적으로 제거하는 단계(d)가 수행될 수 있다. 이후 Dolan 브리지를 마스크로 이용하여 제1 도전성 층이 기판 상에 기상 증착(evaporate)되어, 이러한 제1 도전성 층이 기판 상에 놓이고 Dolan 브리지의 일측으로부터, 허용되는 한 그 아래로 돌출될 수 있다(e). 그 다음에, 알루미늄 산화물의 절연체 층이 제1 도전성 층 상에 기상 증착될 수 있다(f). 제2 도전성 층이, Dolan 브리지의 나머지 측을 이용하여, 허용되는 한 그 아래로 절연체 층 상에 기상 증착되어, 2개의 도전체 층 사이에 절연체 층이 개재되는 중첩 영역을 형성하게 될 수 있다. 마지막으로, 완성된 양자 터널링 컴포넌트를 드러내도록 Dolan 브리지가 제거될 수 있다.
나아가 통상의 기술자라면, 보드에 직접 장착되는 양자 터널링 디바이스를 제공함으로써, 예컨대 팹(fab) 등의 전용화된 설비에서 그 제조 공정이 구현될 수 있는 저비용의 디바이스를 얻을 수 있다는 점을 인식할 것이다.
통상의 기술자라면 난수 생성기에 어떤 하드웨어 컴포넌트가 이용될 수 있는지 인식할 수 있을 것이다. 일 구현예로서, 양자 터널링 장벽은 예컨대 54 옴의 저항을 나타낼 수 있다. 바이어싱 디바이스는 바이어스-티 Mini-Circuits ZFBT-6GW+일 수 있다. 샘플링 디바이스는 초당 30억 샘플링의 샘플링 주파수를 갖고 Ultraview™에 의해 제조되는 8-비트 데이터 수집 보드(data acquisition board)일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 랜덤 신호의 이어지는 레벨들 사이의 상관(correlation)을 제한하기 위해 샘플링 주파수가 제한될 수 있다. 예컨대, 샘플링 주파수는 초당 10억 샘플링으로 제한될 수 있다. 나아가, 랜덤 신호를 52 dB로 증폭하면 난수 생성기를 위해 충분하다는 점이 밝혀졌다. 증폭기는 랜덤 신호의 증폭 레벨을 튜닝하기 위해 감쇠기 Mini-Circuits BW-S3W2+와 함께 두 증폭기 Mini-Circuits ZFL-1000LN+를 통합할 수 있다. 이러한 실시예를 이용하면, 난수 생성기는 초당 40억 비트(4 Gbit/s)에 이르기까지 숫자를 생성할 수 있고, 이는 가장 근접한 경쟁자인 LETech의 난수 생성기 GRANG(0.4 Gbit/s를 달성)보다 훨씬 빠를 것이다.
바이어스가 0V인 경우(즉, 바이어싱 디바이스가 없는 경우) 노이즈는 열적인 것이고 전하는 양자 터널링을 통해 양자 터널링 장벽을 통과할 수 있다는 점에 더 주목해야 한다. 이러한 열적 노이즈가 랜덤 신호의 소스로 직접 이용될 수 있지만, 위에서 제시된 실시예에서는 장벽 양단에 포텐셜의 차를 인가함으로써 생성되는 양자 터널링 효과를 이용하는 것이 선호된다. 에너지 eV가 kT보다 큰 경우(e는 전하, V는 바이어스, k는 볼츠만 상수, T는 켈빈 절대 온도이며, 예컨대 V > 25 mV), 노이즈는 V에 비례하는 산탄 노이즈가 될 수 있고, 즉 V가 클수록 생성된 랜덤 신호가 커진다. 이러한 상황하에서, 전기 회로의 나머지 전기 컴포넌트로부터의 기여도는 무시할만할 수 있다. 그러나, V를 바이어스하는 것이 선호될 수 있다. 예를 들어, 양자 터널링 장벽은 붕괴 임계치를 넘어서는 경우 붕괴될 수 있고, 이는 바이어싱의 이유가 될 수 있다. 설명되고 도시된 예에서는, 양자 터널링 장벽의 적합한 이용이 V = 0.25V에서 이루어졌다.
나아가 샘플링 디바이스는, 랜덤 신호인 한 입력 숫자와 0인 다른 입력 숫자를 갖는 디지털 비교기의 형태로 제공될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 랜덤 신호가 양수인 경우, 디지털 비교기는 이진수 1을 제공하도록 되어 있으며, 그렇지 않은 경우 이진수 0을 제공한다. 이러한 구성에서는, 나머지 입력 숫자의 0 값의 바이어스를 방지하기 위해 공지된 알고리즘이 이용될 수 있다. 따라서, 난수를 제공하는데 이용될 수 있는 일련의 연이은 랜덤한 이진수 1 및 0을 획득하기 위해 이러한 디지털 비교기가 이용될 수 있다. 통상의 기술자라면 증폭기와 샘플링 디바이스는 난수 생성기의 비용을 제한하기 위해 대략 kHz 단위의 주파수로 제한될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 나아가, 바이어싱 디바이스는 증폭기에 직접 통합될 수 있다. 이러한 바이어싱 디바이스는 포텐셜의 차를 바이어싱할 수 있고, 동일한 전기 컴포넌트에서 바이어싱된 포텐셜의 차를 증폭할 수도 있다. 포텐셜의 차를 바이어싱하는 것은 증폭기와 간섭하지 않는 한 이용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 본 명세서에서는 랜덤 노이즈를 난수로 변환하기 위해 샘플링 디바이스 또는 디지털 비교기를 이용하는 것이 제시되었지만, 통상의 기술자라면 다른 기법을 구현할 수도 있을 것이다.
나아가 난수 생성기는, USB 2.0을 이용하여 480 Mb/s에 이르는 속도를, USB 3.0을 이용하여 그보다 높은 속도를 달성하는 휴대용 디바이스를 제공할 수 있는 USB 디바이스 상에 장착될 수 있다는 점에 주목해야 할 것이다. 대안으로서, 난수 생성기는 PCI 디바이스에 장착될 수 있고, 1 Gb/s 내지 17 Gb/s에 이르기까지 달성할 수 있다. 나아가, 난수 생성기는 주문자 생산 방식(OEM) 마더보드로부터 직접 구현될 수 있다.
포텐셜의 차를 증가시킴으로써 신호를 증가시킬 수 있다. 대안으로서, 접합을 가열함으로써 양자 노이즈를 증가시킬 수 있고, 따라서 신호를 증가시킬 수 있다.
앞서 설명하고 도시한 예는 단지 예시의 목적임을 이해할 것이다. 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 정해진다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 난수를 생성하기 위한 방법으로서,
    하나의 도체로부터 다른 도체로 양자 터널링 장벽을 가로질러 전하를 양자 터널링시키는 단계;
    상기 전하의 양자 터널링으로부터 생기는 랜덤 신호를 수신하는 단계;
    상기 랜덤 신호를 난수에 연관시키는 단계; 및
    상기 난수를 나타내는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 난수 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 두 개의 상기 도체에 걸쳐 포텐셜의 차를 인가함으로써 상기 전하의 양자 터널링을 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 포텐셜의 차를 인가하는 동안 상기 양자 터널링 장벽은 상기 포텐셜의 차에 의해 상기 양자 터널링 장벽에 부딪히는 전하의 고전적인 반사를 일으키는, 난수 생성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연관시키는 단계 이전에 상기 랜덤 신호를 증폭시키는 단계를 더 포함하는, 난수 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 증폭은 0.1 MHz 내지 1000 MHz 범위의 주파수 대역폭 내의 상기 랜덤 신호의 컴포넌트들에만 적용되는, 난수 생성 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연관시키는 단계는 상기 랜덤 신호를 샘플링하는 단계를 더 포함하는, 난수 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는, 샘플링된 상기 랜덤 신호의 복수의 비트들의 최소 유효 비트(least significant bit) 중 하나 이상에 기초하여 상기 랜덤 신호를 결정하는 단계를 더 포함하는, 난수 생성 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는 초당 10억(billion)을 초과하는 샘플링 레이트로 수행되는, 난수 생성 방법.
  8. 난수 생성기로서,
    보드;
    랜덤 신호를 생성하기 위해 두 도체 사이에서 상기 보드에 장착되어 전하가 상기 도체 중의 하나로부터 다른 하나로 랜덤 터널링될 수 있게 하는 양자 터널링 장벽;
    상기 보드에 장착되고, 상기 랜덤 신호를 증폭시키기 위해 상기 두 도체 중 하나에 연결되는 증폭기; 및
    상기 랜덤 신호를 적어도 하나의 난수에 실시간으로 연관시키기 위해 상기 보드에 장착되고 상기 증폭기에 연결되는 샘플링 디바이스를 포함하는, 난수 생성기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양자 터널링 장벽은 적어도 하나의 절연체 층을 구비하며, 상기 절연체 층은 상기 두 도체 중 대응하는 도체와 각각 접촉하는 2개의 외측 양면을 가지고, 상기 두 도체는 상기 절연체가 개재되어 있는 도전성 층들의 형태인, 난수 생성기.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 두 도체에 연결되고 상기 랜덤 신호를 생성하는 전하의 양자 터널링을 일으키는 포텐셜의 차를 생성하도록 작동 가능한 전압원을 더 포함하는, 난수 생성기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양자 터널링 장벽은 고전적인 반사에 의해 상기 전압원의 전하가 양자 터널링 장벽을 가로질러 통과하는 것을 막는, 난수 생성기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 두 도체 층 중 적어도 하나는 금속성 재료로 만들어지는, 난수 생성기.
  13. 제9항 또는 제12항에 있어서,
    상기 두 도체 층 중 적어도 하나는 반도체 재료로 만들어지는, 난수 생성기.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보드는 상기 양자 터널링 장벽, 상기 도체, 상기 증폭기 및 상기 샘플링 디바이스를 기계적으로 지지하는 인쇄 회로 보드(PCB)이며, 비-도전성 기판 상에 적층되는 구리 시트(copper sheet)로부터 에칭되어 컴포넌트들을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 트랙을 가지는, 난수 생성기.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플링 디바이스는 초당 30억 샘플링의 샘플링 주파수를 갖는 데이터 수집 보드(data acquisition board)인, 난수 생성기.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭기는 상기 랜덤 신호를 50 dB 이상으로 증폭시키는, 난수 생성기.
  17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭기는 0.1 MHz 내지 1000 MHz의 증폭 통과 대역을 갖는, 난수 생성기.
  18. 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 난수 생성기는, 상기 보드 상에 그리고 상기 양자 터널링 장벽과 상기 증폭기 사이에 장착되는 바이어싱 디바이스, 및 상기 보드 상에 상기 양자 터널링 장벽과 상기 증폭기 사이에 장착되는 필터를 더 포함하고, 상기 바이어싱 디바이스는 상기 전압원을 바이어싱하고 상기 양자 터널링 장벽 상에 인가되는 포텐셜의 차를 고정시키기 위한 것인, 난수 생성기.
  19. 제8항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 다른 난수 생성기와 병렬로 연결되는, 난수 생성기.
  20. 적어도 하나의 난수를 생성하기 위한 방법으로서,
    절연체에 의해 분리되는 2개의 도전성 층에 걸쳐 포텐셜의 차를 인가하는 단계로서, 상기 포텐셜의 차는 상기 절연체를 가로지르는 전하의 랜덤 양자 터널링으로부터 생기는 랜덤 신호를 일으키는, 인가 단계;
    상기 랜덤 신호를 난수에 연관시키는 단계; 및
    상기 난수를 나타내는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 난수 생성 방법.
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