(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎを２以上の自然数としたとき、２本の偏波保存光ファイバを偏波保存光ファイバカップラによりｎ組直列に連結して２のｎ乗の光路長がすべての経路で異なるように設定し、その光路の終端に単一光子検出器とその出力に基づき時間を測定する計時手段を設けることを特徴とする乱数発生器。
【請求項２】
請求項１記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバカップラを、偏波面を保持した状態で分岐比を任意に設定した光子分配器とすることを特徴とする乱数発生器。
【請求項３】
請求項２記載の乱数発生器において、上記分岐比を５０／５０としたことを特徴とする乱数発生器。
【請求項４】
請求項１または２記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバおよび上記偏波保存光ファイバカップラは光路長が経路毎に同じ値をとらないように構成されていることを特徴とする乱数発生器。
【請求項５】
ｎを２以上の自然数とするとき、２本の偏波保存光ファイバを並置した１段のユニットを乱数発生のための２のｎ乗進数に応じてｎ段数直列に配置して光路長をすべての経路で異なるように設定し、最終段を除いて各段の前記２本の偏波保存光ファイバ毎にその端部を分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラで連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けたことを特徴とする乱数発生器。
【請求項６】
請求項５記載の乱数発生器において、光子入射経路上にシャッターを設け、前記計時手段でシャッターの開閉時間から光子入射時間を計測すること特徴とする乱数発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機シュミレーション分野、暗号化を必要とする通信・情報処理分野、データ消去を必要とするコンピュータ関連分野、等で必要とする乱数発生器に関し、特に単一光子経路選択と光子検出による乱数発生器に関する。
【０００２】
【従来技術】
図３は従来の２進の乱数発生器の構成図である。
従来の技術を示す国際公開第９８／１６００８号パンフレットは、図３に示すように、λ／２プレート（半波長板）を介して入力された光子は、偏光ビームスプリッタを介していずれかの検出器で検出されるように構成されている。この例は２進の乱数発生器として開示されている。単一光子経路選択と光子検出による乱数発生が２進の乱数発生に限定されていた。従って、この例は、光子１個につき１ビットの乱数しか発生できなかった。また、単一光子検出器も２台必要であった。
【０００３】
従来の技術を示す国際公開第９９／６６６４１号のパンフレットでは二光子干渉を利用するものであり、単一光子経路選択を利用する。本発明とは原理的に異なる。この場合も、乱数発生が２進の乱数発生に限定されていた。
従来の技術を示す国際公開第９８／５８３０９号のパンフレット、国際公開第２０００／５５７０６号のパンフレットは、光子統計を乱数生成に利用するものであるが、単一光子経路選択を利用する本発明とは原理的に異なる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、単一光子経路選択と光子検出による乱数発生が２進の例であり、４進以上の乱数発生のためには例えば前記図３の装置が多数必要となり、全体の構成が大がかりなものとなって実用的でなかった。
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、単一光子経路選択と光子検出による４進、８進等の２のｎ乗進（ｎ＝２、３、・・・・）の乱数発生を簡単、容易に行うことができる乱数発生器を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の解決手段を採用する。
（１）乱数発生器において、ｎを２以上の自然数としたとき、
２本の偏波保存光ファイバを偏波保存光ファイバカップラによりｎ組直列に連結して２のｎ乗の光路長がすべての経路で異なるように設定し、その光路の終端に単一光子検出器とその出力に基づき時間を測定する計時手段を設けること。
（２）上記（１）記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバカップラを、偏波面を保持した状態で分岐比を任意に設定した光子分配器とすること。
（３）上記（２）記載の乱数発生器において、上記分岐比を５０／５０としたこと。
【０００６】
（４）上記（１）または（２）記載の乱数発生器において、上記偏波保存光ファイバおよび上記偏波保存光ファイバカップラは光路長が経路毎に同じ値をとらないように構成されていること。
（５）乱数発生器において、ｎを２以上の自然数とするとき、２本の偏波保存光ファイバを並置した１段のユニットを乱数発生のための２のｎ乗進数に応じてｎ段数直列に配置して光路長をすべての経路で異なるように設定し、最終段を除いて各段の前記２本の偏波保存光ファイバ毎にその端部を分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラで連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けたこと。
（６）上記（５）記載の乱数発生器において、光子入射経路上にシャッターを設け、前記計時手段でシャッターの開閉時間から光子入射時間を計測すること。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な実施の形態について以下詳細に説明する。
本発明の乱数発生器は、２本の偏波保存光ファイバを並置した１段のユニットを乱数発生の進数に応じて必要段数直列に配置し、最終段を除いて各段の前記２本の偏波保存光ファイバ毎にその端部に分岐比を任意に設定した偏波保存光ファイバカップラを連結し、最終段のユニットの前記両偏波保存光ファイバに偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタに対向して単一光子検出器を設け、該単一光子検出器の出力を受けて単一光子の到着時間を計測する計時手段とこの計時手段の計時出力に基づいて乱数を発生する演算手段を設けて構成する。
単一光子が通過する経路を構成する偏波保存光ファイバは、発生させる乱数の進数に応じて、例えば、４進乱数発生なら４本（２本×２ユニット）、８進乱数発生なら６本（２本×３ユニット）必要とする。
【０００８】
初段の偏波保存光ファイバの入力端から最終段の偏波保存光ファイバの出力端までの光路長は経路毎にすべて異なるように設定する
経路をランダムに選択した単一光子はその経路の光路長に応じた時間後に単一光子検出器によって検出される。
単一光子検出器の検出出力は計時手段、例えば時計、に入力され、計時手段によって前記経路に入ってから出るまでの時間を計測する。
この時間は演算手段によって乱数に変換される。
経路選択には、偏波保持光ファイバカップラと偏波保持光ファイバを組み合わせて構成する。単一光子検出器にはアバランシェフオトダイオード又は光電子増倍管を使用する。光子到着時間測定に時計等の計時手段を使用する。
【０００９】
（第１実施例）
図１は本発明の４進の乱数発生器の構成図である。
図１に単一光子の経路選択と光子検出による４進の乱数発生器を示す。
乱数発生器の構成は、光子の経路順に、光子の通路を開閉するシャッター１４，偏波保持光ファイバ１５、偏波保持光ファイバカップラ１、偏波保持光ファイバ２および３、偏波保持光ファイバカップラ４、偏波保持光ファイバ５および６、偏光ビームスプリッタ７，単一光子検出器８、計時手段９、演算手段１３からなる。
偏波保持光ファイバ３および６は、光路長を変えるために複数回巻回したループ（迂回路）を有する。
【００１０】
前記偏波保持光ファイバ１５から偏向ビームスプリッタ７までの光路は一体に形成される。
単一光子検出器８は偏向ビームスプリッタ７を介して到着光子を検出し、計時手段９は単一光子検出器８の出力による到着時間を検出する。
演算手段１３は、計時手段からの時間情報に基づき単一光子が前記光路を通り抜ける所要時間を求め、その所要時間に応じて経路を決定し、経路に応じて乱数を発生する。
【００１１】
（動作）
シャッター１４を開けて単一光子を偏波保存光ファイバ１５に入射する。偏波保存光ファイバ１５を通過した光子は、次に、偏波保存光ファイバカップラ１を通過する際、偏波保存光ファイバ２または３のいずれかの経路を選択する。このときの経路選択は、偏波保存光ファイバカップラの分岐比の選択によって偏るが、例えば、偏波面を保持した状態で分岐比を５０／５０に設定すると、毎回１／２の確率で経路選択される。この例では、偏波面を保持した状態で分岐比を５０／５０に設定した例で説明する。
偏波保存光ファイバカップラ１で偏波保存光ファイバ２又は３を確率１／２で経路選択する。同様に、単一光子は分岐比が５０／５０に設定されている偏波保存光ファイバカップラ４で偏波保存光ファイバ５又は６を確率１／２で経路選択する。
【００１２】
偏波保存光ファイバ２、３、５、６の長さをＬ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６とすれば、単一光子が選択する経路はＬ２＋Ｌ５、Ｌ２＋Ｌ６、Ｌ３＋Ｌ５、Ｌ３＋Ｌ６の４種類となるが、選択確率は偏波保存光ファイバカップラ１と４の分岐比が５０／５０であるから、それぞれ、相等しく１／４となる。このとき、
Ｌ２＋Ｌ５＜Ｌ２＋Ｌ６＜Ｌ３＋Ｌ５＜Ｌ３＋Ｌ６        （１）
となるように各偏波保存光ファイバ長さを調整すれば、４経路で光路長が異なるために光子の単一光子検出器８到達時間も異なることになる。計時手段９でシャッター開閉時間から光子入射時間を測定し、単一光子検出器８と前記計時手段９で光子の到着時間を測定し、演算手段１３によって光子の入射時間と到着時間の差を求め、経路と所用時間との対応関係から、単一光子がどの経路を通過してきたかを判別し、その経路に応じて乱数を発生する。
【００１３】
この実施例の場合、経路選択確率は１／４なので４進の一様な乱数（各乱数値の発生確率が等しい）が発生することになる。但し、謝って同時に２つの経路が選択された場合、例えば所定時間内に２出力を検出した場合、この出力は削除する。
尚、偏波保存光ファイバ５、６の出射口では単一光子の偏波を調整して偏向ビームスプリッタ７を透過・反射した単一光子が全部単一光子検出器８に入射するようにする。
上記第１実施例では、全ての光ファイバカップラと光ファイバを偏波保持光ファイバと偏波保持光ファイバカップラとしたが、偏波保持でない光ファイバカップラと光ファイバでも偏波制御器を使用することによって同様の４進乱数発生を行うことができる。
【００１４】
不等式（１）が成り立つためには、例えば、Ｌ２＝１ｍ、Ｌ３＝２１ｍ、Ｌ５＝１ｍ、Ｌ６＝１１ｍとすればよい。また、偏波保持ファイバカップラの分岐比を５０／５０から変更することによって、一様でない乱数（各乱数値の発生確率が異なる）も発生できる。
８進や１６進等の乱数発生も光ファイバカップラと光ファイバを追加することによって達成できる。
（第２実施例）
図２は本発明の８進の乱数発生器の構成図である。
図２に、８進の乱数発生器を示すが、偏波保存光ファイバカップラ１０と偏波保存光ファイバ１１、１２が追加されている。それ以外の構成は図１で示したとおりである。
【００１５】
（動作）
前記第１実施例と比べ、偏波保存光ファイバカップラ１０と偏波保存光ファイバ１１、１２が追加された分だけ経路の組み合わせが多くなる。
そこで、偏波保存光ファイバ２、３、５、６の長さを図１と同じようにＬ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６として、新たに加えた偏波保存光ファイバ１１、１２の長さをＬｌｌ、Ｌ１２とすれば、単一光子が選択する経路はＬ２＋Ｌ５＋Ｌｌｌ、Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌｌｌ、Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌｌｌ、Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌｌｌ、Ｌ２＋Ｌ５＋Ｌ１２、Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌ１２、Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌ１２、Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌ１２の８種類となる。例えば、Ｌ２＝１ｍ、Ｌ３＝２１ｍ、Ｌ５＝１ｍ、Ｌ６＝１１ｍ、Ｌｌｌ＝１ｍ、Ｌ１２＝５ｍ  とすればよい。このとき、Ｌ２＋Ｌ５＋Ｌｌｌ＝３ｍ、Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌｌｌ＝１３ｍ、Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌｌｌ＝２３ｍ、Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌｌｌ＝３３ｍ、Ｌ２＋Ｌ５＋Ｌ１２＝７ｍ、Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌ１２＝１７ｍ、Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌ１２＝２７ｍ、Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌ１２＝３７ｍとなるので
Ｌ２＋Ｌ５＋Ｌｌｌ＜Ｌ２＋Ｌ５＋Ｌ１２＜Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌｌｌ＜Ｌ２＋Ｌ６＋Ｌ１２＜Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌｌｌ＜Ｌ３＋Ｌ５＋Ｌ１２＜Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌｌｌ＜Ｌ３＋Ｌ６＋Ｌ１２                                                  （２）
となり、８経路で光路長が異なるために光子の検出器到達時間も異なることになる。
【００１６】
このとき、前記第１実施例と同様に、計時手段９でシャッター開閉時間から光子入射時間を測定し、単一光子検出器８と前記計時手段９で光子の到着時間を測定し、演算手段１３によって光子検出器１１で検出した光子の入射時間と前記到着時間の差を求め、経路と所用時間との対応関係から、単一光子がどの経路を通過してきたかを判別し、その経路に応じて乱数を発生する。
この実施例の場合、経路選択確率は１／８なので８進の一様な乱数（各乱数値の発生確率が等しい）が発生することになる。但し、謝って同時に２つの経路が選択された場合、例えば所定時間内に２出力を検出した場合、この出力は削除する。
本発明は、単一光子経路選択と光子検出による４進、８進等の乱数発生を可能にする接術であり、発生効率を４進の場合、光子１個につき２ビット、８進の場合、３ビットに改善することができる。
【００１７】
（他の実施の態様）
偏波保存光ファイバカップラと偏波保存光ファイバを必要数組み合わせることにより任意の進数の乱数発生器を構成することができる。例えば、１６進、３２進乱数発生への変更も容易である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、４進、８進等の任意進数の乱数を簡単な構成により容易に発生させることができる。特に、１６進、３２進乱数発生への変更も用意に行える。
また、本発明は、分岐比を適宜設定することにより、個々の乱数の出現確率を任意に設定することができる。特に、分岐比を５０／５０に設定することにより、すべて等しい乱数、即ち、一様な乱数を発生することができる。
また、偏波保持光ファイバカップラの分岐比を調節することで、個々の乱数の出現確率が異なる乱数、即ち、一様でない乱数も発生することができる。
経路を複数本用意するときに、経路配置を工夫して、乱数発生システムが容易に構成できるようにした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の４進の乱数発生器の構成図である。
【図２】本発明の８進の乱数発生器の構成図である。
【図３】従来の２進の乱数発生器の構成図である。
【符号の説明】
１、４  偏波保存光ファイバカップラ
２、３、５、６  偏波保存光ファイバ
７  偏光ビームスプリッタ
８  単一光子検出器
９  計時手段
１０  偏波保存光ファイバカップラ
１１、１２、１５  偏波保存光ファイバ
１３  演算手段
１４  シャッター
【図１】
0003612564.tif 000002
【図２】
0003612564.tif 000003
【図３】
0003612564.tif 000004