(57)【要約】  発明は、電気パルスドライバにより利得切り替えメカニズムの下でマルチモードレーザを動作させるステップと、レーザキャビティ内で生じるモード間ビーティングによって生み出されるランダムな強度パターンを検出するステップとを備える、量子乱数生成器により乱数を生み出すための方法およびシステムに基づいている。生み出される数は、真にランダムであり、最小限の数の要素がシステムを動作させるために要求される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子乱数生成器により乱数を生み出すための方法であって、
前記方法は、
a）ネットゲインを正から負の値におよびその逆に連続的に変調する電気パルスドライバ（PD）により、高い変調帯域幅および深度で、マルチモードレーザダイオード（MMLD）を動作させるステップと、
b）キャビティの往復時間より長い期間にわたって一往復あたりのネットゲインを正に維持するステップと、
c）前記キャビティの前記往復時間より長い期間にわたって一往復あたりの時間のネットゲインを負に維持するステップと、
d）高速フォトダイオード（PIN）により、a）における複数のモード間の結果として生じるランダムビーティングパターンを検出するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
ビーティング方法に含まれるモードの数を減じるように前記レーザキャビティ内の周波数の数を選択するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記キャビティの縦モード間の同期メカニズムが防止されるように、前記レーザが非共振周波数で動作させられる、請求項1から2のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記レーザキャビティの中への反射された光パワーを回避するように信号を光学的に分離するステップをさらに備える、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乱数生成器（RNG）に関し、特に、可変の利得または損失を有するマルチモードレーザキャビティにおける量子観測量の本質的なランダム性に基づいた生成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数は、何らのパターンも無くランダムに見える数またはシンボルのシーケンスを形成する。乱数生成器（RNG）は、乱数を生成するように設計された計算または物理デバイスである。RNGは、擬似RNG（PRNG）、計算アルゴリズム、および真性RNG（TRNG）に分類され得る。TRNGは、物理デバイスであり、古典的な決定論的法則に基づいた古典的RNG（CRNG）および量子効果に基づいた量子RNG（QRNG）に細別され得る。
【０００３】
現在の商用のRNGデバイスは、多くの他の方式の中で、シングルフォトンの空間分布（特許文献1）、半導体レーザにおけるカオスダイナミクス（非特許文献1）、CMOSメタスタビリティ（特許文献2）、シングルフォトン検出器のアレイにおけるシングルフォトンの検出（非特許文献2）、または半導体レーザにおける位相拡散（特許文献3、非特許文献3）に基づいている。
【０００４】
特許文献3は、パルスシングルモード半導体レーザにおける量子位相拡散を測定することに基づいたQRNGを開示している。レーザをしきい値より下から上に変調することにより、ほぼ同一の強度を有する光パルスおよび完全にランダム化された位相が生成される。続いて、外部の干渉計を使用することにより、ランダムな位相がランダムな振幅へと変換され、ランダムな振幅がPIN検出器によってデジタル化され得る。1つのレーザ源および干渉計の代わりに、2つのレーザ源がコンバイナと共に使用され得る。この技法は超高速動作状態を可能にし、最近の刊行物は40〜80Gbpsまでのビットレートを示している（非特許文献4、非特許文献5）。しかしながら、外部の干渉計要素、または、スペクトル的に一致して発光する2つのレーザおよびカップリングオプティクスの必要性は、要素の数を増加させ、QRNGデバイスの全体の寸法を増大させるので、レイアウトを複雑化させ、場合によってはQRNGのパフォーマンスが構成要素の安定性に影響を受ける。たとえば、2つのレーザのケースでは、それらの放出波長スペクトルが狭く（シングルモード）、一致し、経時的に維持されなければならず、これは、本質的な不安定さおよび環境の変化ゆえに、常に容易に達成できるわけではない。
【０００５】
かくして、超高速および量子機械的エントロピー特性を維持する、縮小された寸法（フットプリント）を有する、より小型のフォームファクタのRNG源のニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第7519641号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2010/0332574号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第2013/0036145号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】A. Uchida et al, “Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers”, Nat. Photonics, vol. 2, 12, 728-732 (2008)
【非特許文献２】S. Tisa et al, “High-Speed Quantum Random Number Generation Using CMOS Photon Counting Detectors”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, (21) 3, 23-29 (2015)
【非特許文献３】F. Xu et al, “An ultrafast quantum random number generator based on quantum phase fluctuations”, Opt. Express 20, 12366 (2012)
【非特許文献４】Z.L. Yuan et al, “Robust random number generation using steady-state emission of gain-switched laser diodes”, Appl. Phys. Lett. 104, 261112 (2014)
【非特許文献５】C. Abellan et al, “Ultra-fast quantum randomness generation by accelerated phase diffusion in a pulsed laser diode”, Opt. Express 22, 1645 (2014)
【発明の概要】
【０００８】
発明の目的は、量子乱数生成のための方法、したがって、従来技術の制約を克服するシステムを提供することである。発明は、マルチモードレーザのモードのランダムな位相の、高速フォトダイオードによって検出され得るランダムな強度パターンへの変換に基づいている。この目的のために発明は、一往復あたりのそのネットゲインが電気パルスドライバによって正から負の値におよびその逆に連続的に変調されるマルチモードレーザを利用するステップと、キャビティの往復時間より長い期間にわたって一往復あたりのネットゲインを正に維持するステップと、キャビティの往復時間より長い期間にわたって一往復あたりのネットゲインを負に維持するステップと、高速フォトダイオード（PIN）を利用して、レーザキャビティの縦モード間の結果として生じるビーティングパターンを検出するステップとを備える。
【０００９】
発明を実現するための多くの異なる方式のマルチモードレーザ、例えば、そのマルチモード応答が適切な波長選択反射器によって達成されるファブリペローキャビティ半導体レーザ、または、モード選択のためのファイバーブラッググレーティングと利得媒体としての半導体光増幅器とを備えるファイバリングレーザが存在する。特に、十分に負であるネットゲインの値およびそれに対応して大きい位相拡散を達成するために、少なくとも2つのモードのうちの少なくとも1つのネットゲイン、すなわち、キャビティにおける利得と損失との間の差が適切に変調され得る限り、少なくとも2つのモードを有するいずれのレーザキャビティも原理的に適している。
【００１０】
ネットゲインを変調するために、レーザ利得、キャビティの損失、またはあるいはレーザ利得とキャビティ損失の両方が変調され得る。各々の変調サイクルにおいて、レーザは2つの安定した作動状態を経験する。すなわち、（i）しきい値より上であり、マルチモードレーザの異なる縦モードが、周波数間隔とモード間の相対位相とによって特徴づけられたランダムな強度パターンを作成するだろう。そして、（ii）しきい値より下であり、レーザキャビティフィールドが強制的に自然放出状態で動作し、次の変調期間にわたってモード間の相対位相をこのようにリセットし、ランダム化する。レーザをしきい値より下に持ってくることに成功しないこと、および、新たな誘導放出パルスを生成する前に誘導放出フォトンがキャビティを出るように、往復時間と比較して十分に長い時間にわたってそれをそのような状況に保つことは、後続パルスのパターン間の相関を導入するだろう。発明のおかげで、非常にコンパクトな（小さいフットプリントの）システムにより、特に集積フォトニック回路を用いてそれを構築する場合、いずれの外部要素も干渉要素もなしに量子数を提供することが可能である。
【００１１】
発明のよりよい理解のための説明を完成させるために、図面一式が提供される。これらの図面は発明の好ましい実施形態を示すが、それは、発明の範囲を限定するものとしてではなく、単に、発明がどのように具現化され得るかの例として解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】発明を実現するための可能な機構を示す図である。
【図２】別の機構を示す図である。
【図３】マルチモードレーザの2つの動作状態のための自己相関関数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図1は、発明を実現するための第1の機構を示し、2モードレーザが、マルチモードレーザダイオード（MMLD）のキャビティ内の選択的なフィルタリングによって得られる。MMLDは、電気パルスドライバ（PD）によって変調される。2つのモードのみが実施例において選択されるので、フォトダイオード（PIN）によって検出される場合のビーティングパターンは、モード間隔（図面ではモードm2とm3との間の周波数の差）によって与えられる周波数と、その特定の期間におけるモード間の位相差によって与えられる初期位相Φinitとによる、コサイン依存性を示す。光アイソレータ（OI）が、レーザキャビティの中への光後方反射を回避するために追加され得る。
【００１４】
結果として生じる強度パターンは、ランダムな初期位相によるデュアルモード放出ゆえにコサイン依存性を示す。それゆえに、有効なレーザキャビティ利得を変調することによって生成される各々のパルスは、2つのモードのランダムな初期位相上に構築されるので、後続パルスをサンプリングすることは、ランダムな振幅のデジタル化を生み出す。ビーティングに含まれるモードの数が多ければ多いほど、結果として生じる強度パターンはより複雑であり、各々のネットゲインの変調期間内に抽出され得るランダムサンプルの数はより多い。
【００１５】
レーザキャビティのネットゲインを変調することは、システムが量子ランダムサンプル（数）を提供するのに不可欠である、ということに注意する。ネットゲインがしきい値より上に一定に保たれるのなら、モードビーティングは依然として存在するだろうが、キャビティから出力されるパルス間に相関が存在するだろう。ネットゲインがキャビティの往復に相関する周波数によって変調されるのなら、このモードビーティングは、周期的なパルス列を生み出すモード同期として知られているものとなり得るだろう。
【００１６】
統合されたバージョンの方式のための同様の構造は、以下のように作られ得る。すなわち、フォトニック集積回路（PIC）の内部または上部に活性材料を配置し、チップ自体のへき開面を鏡として使用する。スペクトルフィルタリングは、活性材料の両側に格子を配置することによって、またはリング状の構造を使用することによって、のいずれかで達成され得る。
【００１７】
図2において、InPまたはInGaAsPisのような活性材料が、高反射性の端部の鏡を有するファブリペローキャビティの中に配置される。鏡のスペクトル反射率は、キャビティ自体が、ほんのわずかのモードに発振することを可能にさせるフィルタとして動作するように、設計され得る。図2の（a）において2つの反射鏡は、2つの所望のモード（CRC1, 2）をフィルタリングし得る。活性媒質を電気的にポンピングすることにより、レイジングが発生し、広いマルチモード光スペクトルが生成される。鏡の間の分離およびその間の材料の屈折率が、モード間隔を決定する。最後に、モード間隔が検出帯域幅より小さくなるようにキャビティが設計される場合、レーザのモード間ビーティングは、高速フォトダイオード（PIN）によって分離され得る。
【００１８】
図2の（b）において、活性材料がフォトニックチップの上部に堆積させられ、チップのへき開面によって生み出される反射を使用して、キャビティが作成される。スペクトルフィルタリングは格子によって得られる。
【００１９】
図3は、2つの動作状態のための自己相関関数を示す。すなわち、（上の図）レーザが決して自然放出状態に到達しない。そして、（下の図）レーザが順調に自然放出状態に到達する。上の図では、レーザが決して自然放出領域に到達しないので、相関関数は、後続パルス間のパターンが同様であることを示す（図においてピークとして示されている）。その代わりに下の図では、後続パルス間の位相の完全なランダム化のために、何らの相関関係を観察されない。
【００２０】
この本文において、「備える」（comprises）という用語およびその派生語（たとえば、「備えること」（comprising）、等）は、排除の意味で理解されるべきではない。すなわち、これらの用語は、説明および定義されるものがさらなる要素、ステップ、等を含み得る可能性を排除するものとして解釈されるべきではない。
【００２１】
一方で、発明は明らかに、本明細書において説明された特定の実施形態（単数または複数）に限定されるものではないが、特許請求の範囲において定義される発明の一般的な範囲内で（たとえば、オプションの構成要素、構成、等に関して）いずれの当業者によっても考慮され得るいずれの変形例をも含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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