Непредсказуемая и равномерная генерация случайных чисел на основе времени прибытия с использованием детекторов InGaAs
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-597-605
Аннотация
Квантовые генераторы случайных чисел становятся обязательными в требовательном технологическом мире высокопроизводительных алгоритмов обучения и правил безопасности. Наша реализация, основанная на принципах квантовой механики, позволяет нам достичь необходимой случайности. Мы сгенерировали высококачественные квантовые случайные числа из слабого когерентного источника на телекоммуникационной длине волны. Энтропия основана на времени прибытия квантовых состояний в пределах заданного интервала времени. Детектирование фотонов детекторами одиночных фотонов InGaAs и высокоточное измерение времени 5 пс позволяют нам генерировать 16 случайных битов за время прибытия, что является самым высоким показателем, зарегистрированным на сегодняшний день. Мы представили теоретический анализ и экспериментальную проверку методологии генерации случайных чисел. Метод устраняет необходимость в каком-либо экстракторе случайности, тем самым используя принципы квантовой физики для генерации случайных чисел. Средняя скорость передачи данных на выходе составляет 2,4 Мбит/с. Сгенерированные необработанные квантовые случайные числа сравниваются с предписанным NIST генератором псевдослучайных чисел Блюма-Блюма-Шуба и собственным аппаратным генератором случайных чисел от FPGA на платформе ENT и NIST.
Об авторах
Д. Аггарвал
QuNu Labs Pvt. Ltd.
Индия
Индия
Дипика Аггарвал
А. Банерджи
QuNu Labs Pvt. Ltd.
Индия
Индия
Аниндита Банерджи
А. Шарма
QuNu Labs Pvt. Ltd.
Индия
Индия
Анкуш Шарма
Г. Ядав
QuNu Labs Pvt. Ltd.
Индия
Индия
Ганеш Ядав
Список литературы
1. Knuth D.E. Art of Computer Programming, Volume 2: Seminumerical Algorithms, Addison-Wesley Professional (2014).
2. chmidt H. Quantum-mechanical random-number generator, J. Appl. Phys., 1970, 41, P. 462–468.
3. Aggarwal D., Ghatikar R., Chennuri S. and Banerjee A. Generation of 1 GB full entropy random numbers with the enhanced-NRBG method. Physica Scripta, 2023, 98(12), P. 125112.
4. Jennewein T., Achleitner U., Weihs G., Weinfurter H. and Zeilinger A. A fast and compact quantum random number generator. Rev. Sci. Instruments, 2000, 71(4), P. 1675–1680.
5. Stipcevic M. and Rogina B.M. Quantum random number generator based on photonic emission in semiconductors. Rev. Sci. Instrum, 2007, 78, P. 045104.
6. Wayne M.A., Jeffrey E.R., Akselrod G.M. and Kwiat P.G. Photon arrival time quantum random number generation. J. Mod. Opt., 2009, 56(4), P. 516–522.
7. Wahl M., Leifgen M., Berlin M., Rohlicke T., Rahn H.-J. and Benson O. An ultrafast quantum random number generator with provably bounded ¨ output bias based on photon arrival time measurements. Appl. Phys. Lett., 2011, 98, P. 171105.
8. Nie Y., Zhang H., Zhang Z., Wang J., Ma X., Zhang J. and Pan J. Practical and fast quantum random number generation based on photon arrival time relative to external reference. Appl. Phys. Lett., 2014, 104, P. 051110.
9. Yan Q., Zhao B., Hua Z., Liao Q. and Yang H. High-speed quantum-random number generation by continuous measurement of arrival time of photons. Rev. Sci. Instrum., 2015, 86, P. 073113.
10. Gabriel C., Wittmann C., Sych D., Dong R., Mauerer W., Andersen U.L., Marquardt C. and Leuchs G. A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states. Nat. Photonics, 2010, 4, P. 711–715.
11. Shen Y., Tian L. and Zou H. Practical quantum random number generator based on measuring the shot noise of vacuum states. Phys. Rev. A, 2010, 81, P. 063814.
12. Symul T., Assad S.M. and Lam P.K. Real time demonstration of high bitrate quantum random number generation with coherent laser light. Appl. Phys. Lett., 2011, 98(23), P. 145.
13. Bruynsteen C., Gehring T., Lupo C., Bauwelinck J. and Yin X. 100-Gbit/s integrated quantum random number generator based on vacuum fluctuations. PRX Quantum, 2023, 4, P. 010330.
14. Raffaelli F., Ferranti G., Mahler D.H., Sibson P., Kennard J.E., Santamato A., Sinclair G., Bonneau D., Thompson M.G. and Matthews J.C.F. A homodyne detector integrated onto a photonic chip for measuring quantum states and generating random numbers. Quantum Sci. Technol., 2018, 3, P. 025003.
15. Guo H., Tang W., Liu Y. and Wei W. Truly random number generation based on measurement of phase noise of a laser. Phys. Rev. E, 2010, 81, P. 051137.
16. Qi B., Chi Y.-M., Lo H.-K. and Qian L. High-speed quantum random number generation by measuring phase noise of a single-mode laser. Opt. letters, 2010, 35(3), P. 312–314.
17. Marandi A., Leindecker N.C., Vodopyanov K.L. and Byer R.L. All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators. Opt. Express, 2012, 20, P. 19322–19330.
18. Williams C.R.S., Salevan J.C., Li X., Roy R. and Murphy T.E. Fast physical random number generator using amplified spontaneous emission. Opt. Express, 2010, 18, P. 23584–23597.
19. Herrero-Collantes M. and Garcia-Escartin J.C. Quantum random number generators. Rev. Mod. Phys., 2017, 89, P. 015004.
20. Li S., Wang L., Wu L.-An, Ma H.-Q. and Zhai G.-J.True random number generator based on discretized encoding of the time interval between photons. J. Opt. Soc. Am. A, 2013, 30, P. 124.
21. Wayne M.A. and Kwait P.G. Low-bias high-speed quantum random number generator via shaped optical pulses. Opt. Express, 2010, 18, P. 9351.
22. Series X: Data Networks Open System Communications and security, Quantum communication Quantum noise random number generator architecture, Recommendation X.1702 (11/19).
23. Fox M. Quantum optics: an introduction. Oxford Univ. Press, Oxford, Oxford master series in atomic, optical, and laser physics, 2006.
24. Bassham III L.E., et al. A statistical test suite for random and pseudorandom number generators for cryptographic applications. Nat. Inst. Standards Technol., Gaithersburg, MD, USA, Tech. Rep. SP 800-22 Rev. 1a, 2010.
25. Walker J. ENT: A pseudo-random number sequence test program. http://www.fourmilab.ch/random/ (2008).
26. Yuan X., Zhao Q., Girolami D. and Ma X. Quantum coherence and intrinsic randomness. Advanced Quantum Technologies, 2019, 2(11), P. 1900053.
27. A. Renyi. On Measures of Entropy and Information. Proceedings of the Fourth Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, ´ Volume 1: Contributions to the Theory of Statistics, P. 547–561, University of California Press, Berkeley, Calif., 1961.
Дополнительные файлы
Рецензия
Для цитирования:
Аггарвал Д., Банерджи А., Шарма А., Ядав Г. Непредсказуемая и равномерная генерация случайных чисел на основе времени прибытия с использованием детекторов InGaAs. Наносистемы: физика, химия, математика. 2025;16(5):597-605. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-597-605
For citation:
Aggarwal D., Banerjee A., Sharma A., Yadav G. Unpredictable and uniform random number generation based on time of arrival using InGaAs detectors. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(5):597-605. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-597-605
Просмотров:
21
Послать статью по эл. почте 