(57)【要約】【課題】簡易な装置構成で自然乱数列を発生する。【解決手段】単一光子光源と、単一光子検出器と、乱数生成部とを備えて構成される。単一光子光源は、単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満の光子を出力する。単一光子検出器は、単一光子光源が出力する光子を検出する。乱数生成部は、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭにおいて、単一光子検出器が光子を検出したとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とし、単一光子検出器が光子を検出しないとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする乱数を生成する。【選択図】図１
2019021137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは１以上の整数）ビットの乱数列を生成する乱数信号発生器であって、
単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満の単一光子光源と、
前記単一光子光源が出力する光子を検出する単一光子検出器と、
Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭにおいて、前記単一光子検出器が光子を検出したとき、前記乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とし、前記単一光子検出器が光子を検出しないとき、前記乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする乱数を生成する乱数生成部と
を備えることを特徴とする乱数信号発生器。
【請求項２】
前記乱数生成部が、
前記単一光子検出器が光子を検出した時刻を光子検出時刻列として記録する検出時刻列記録部と、
前記光子検出時刻列を読み出して、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭの有無を判定する判定部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の乱数信号発生器。
【請求項３】
前記単一光子光源が、
連続光を生成する連続光源と、
前記連続光を単一光子レベルに減衰する可変光減衰器と
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の乱数信号発生器。
【請求項４】
前記可変光減衰器の減衰量を変更することにより、前記乱数列における「１」の占める割合であるマーク率を変更できる
ことを特徴とする請求項３に記載の乱数信号発生器。
【請求項５】
前記単位時間スロットΔＴを変更することにより、前記乱数列における「１」の占める割合であるマーク率を変更できる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の乱数信号発生器。
【請求項６】
Ｎ（Ｎは１以上の整数）ビットの乱数列を生成する乱数信号発生方法であって、
単一光子光源が、単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満の光子を生成する単一光子生成過程と、
単一光子検出器が、前記光子を検出する光子検出過程と、
Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭにおいて、前記単一光子検出器が光子を検出したとき、前記乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とし、前記単一光子検出器が光子を検出しないとき、前記乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする乱数を生成する乱数列生成過程と
を備えることを特徴とする乱数信号発生方法。
【請求項７】
前記乱数列生成過程が、
前記単一光子検出器が光子を検出した時刻を光子検出時刻列として記録する検出時刻列記録過程と、
前記光子検出時刻列を読み出して、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭの有無を判定する判定過程と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の乱数信号発生方法。
【請求項８】
前記単一光子光源が、
連続光を生成する連続光源と、
前記連続光を単一光子レベルに減衰する可変光減衰器と
を備え、
前記可変光減衰器における減衰量を変更することにより、前記乱数列における「１」の占める割合であるマーク率を変更できる
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の乱数信号発生方法。
【請求項９】
前記単位時間スロットΔＴを変更することにより、前記乱数列における「１」の占める割合であるマーク率を変更できる
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の乱数信号発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、暗号通信の共通鍵などに利用される乱数列を発生する、乱数信号発生器及び乱数信号発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数列は、暗号通信における秘密鍵や確率的モデルのシミュレーション、通信用システム・デバイスの性能評価など、様々な産業分野、科学技術分野で利用されている。乱数列は、数学的論理回路等を用いて数理的に発生することもできるが、自然現象を利用して物理的に発生する、物理（自然）乱数列が最も望ましい。
【０００３】
自然乱数列を発生する乱数信号発生器としては、ツェナーダイオードを利用したものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、近年では、光子の量子力学的重ね合わせを利用した乱数信号発生器が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
非特許文献２に開示の乱数信号発生器では、例えば、単一光子レベルにまで強度減衰した光をビームスプリッタに入力し、ビームスプリッタの２つの出カポートのそれぞれに設けた単一光子検出器のうち一方で光を検出した場合をビット「１」、他方で光を検出した場合をビット「０」とすることで自然乱数に非常に近い乱数列を発生することができる。
【０００６】
非特許文献２に開示されている、光子の量子力学的重ね合わせを利用した乱数信号発生器は、自然乱数に近い理想的な乱数列を発生することが期待され、近年、様々な乱数信号発生方法が提案・実証されている。
【０００７】
さて、一般に、乱数列で所望されるマーク率（全ビット列における「１」の占める割合）は１／２である。しかし、通信用超高速ロジック回路の試験などでは、マーク率１／４、１／８などの乱数列が求められる。
【０００８】
このような、１／２以外のマーク率を有する乱数列は、例えばシフトレジスタと排他的論理和で構成される論理回路において、マーク率１／２の２系統の乱数列を処理することによって生成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１９８３３６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】田村義保、小野寺  徹、中畑昌也、清水隆邦、“日本における物 理乱数発生装置の現状”、日本統計学会誌、第３５巻、第２号、２００６年３月、２０１−２１２頁
【非特許文献２】Ｔｈｏｍａｓ  Ｊｅｎｎｅｗｅｉｎ，  Ｕｌｒｉｃｈ  Ａｃｈｌｅｉｔｎｅｒ，  Ｇｒｅｇｏｒ  Ｗｅｉｈｓ，  Ｈａｒａｌｄ  Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ  ａｎｄ  Ａｎｔｏｎ  Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，  “Ａ  Ｆａｓｔ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｒａｎｄｏｍ  Ｎｕｍｂｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”、  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｔｎｔｓ，  Ｖｏｌ．７１，  Ｉｓｓｕｅｓ  ４，  １０．１０６３／１．１１５０５１８、２０００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の特許文献１に開示されている乱数発生器では、乱数列が数理的乱数であり自然乱数ではない。また、実現できるマーク率も１／４、１／８等のほぼ固定されたものとなる。
【００１２】
また、上述の非特許文献２に開示されている乱数発生器は、複数の光子検出器を用いるなど、装置構成の小型化が容易ではない。また、実現できるマーク率は１／２であり、上述の特許文献１と組み合わせたとしても、実現できるマーク率は１／４、１／８等のほぼ固定されたものとなる。
【００１３】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、簡易な装置構成で自然乱数列を発生し、かつ、マーク率を容易に可変にできる、乱数信号発生器及び乱数信号発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するために、この発明の、Ｎ（Ｎは１以上の整数）ビットの乱数列を生成する乱数信号発生器は、単一光子光源と、単一光子検出器と、乱数生成部とを備えて構成される。
【００１５】
単一光子光源は、単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満の光子を出力する。単一光子検出器は、単一光子光源が出力する光子を検出する。乱数生成部は、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴ（Ｍは０以上Ｎ−１以下の整数）を満足する時刻ＴＭにおいて、単一光子検出器が光子を検出したとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とし、単一光子検出器が光子を検出しないとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする乱数を生成する。
【００１６】
また、この発明の、Ｎビットの乱数列を生成する乱数信号発生方法は、以下の過程を備えて構成される。
【００１７】
単一光子生成過程において、単一光子光源が、単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満の光子を生成する。次に、光子検出過程において、光子を検出する。
【００１８】
乱数列生成過程において、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ＴＭにおいて、単一光子検出器が光子を検出したとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とし、単一光子検出器が光子を検出しないとき、乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする乱数列を生成する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の乱数信号発生器及び乱数信号発生方法によれば、単一光子光源が生成した光子を単一光子検出器が検出した時刻に基づいて乱数を生成する。このため、複数の単一光子検出器を用いることなく、１つの単一光子検出器で乱数信号発生器を構成できるなど、簡易な装置構成が実現できる。また、単一光子光源が備える可変減衰器の減衰量や、単位時間スロットを変更すれば、マーク率を所望の値に、容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の乱数信号発生器の構成例を示す模式図である。
【図２】この発明の乱数信号発生器の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２２】
（構成）
図１を参照して、この発明の乱数信号発生器について説明する。図１は、この発明の乱数信号発生器の構成例を示す模式図である。図２は、この発明の乱数信号発生器の動作を説明するための模式図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ単一光子を検出する様子を示している。
【００２３】
乱数信号発生器は、Ｎビットの乱数列を生成する。乱数信号発生器は、単一光子光源１０と、単一光子検出器２０と、乱数生成部３０とを備えて構成される。
【００２４】
単一光子光源１０は、例えば、連続光源１２と、可変光減衰器１４とを備えて構成される。連続光源１２は、レーザ光源などで構成され、連続光を生成する。可変光減衰器１４は、連続光源１２が生成した連続光を所望の減衰量で減衰する。連続光は、いわゆる単一光子レベルの光強度まで減衰され、微弱な連続光となる。このように、単一光子光源１０は、ある単位時間スロットΔＴにおける平均出力光子数が１未満である、単一光子を生成する。
【００２５】
単一光子検出器２０は、例えば、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）で構成される。単一光子検出器２０は、単一光子光源１０が生成した光子を検出し、光子の検出に応答した電気信号を乱数生成部３０に送る。
【００２６】
乱数生成部３０は、例えば、Ａ／Ｄ変換部（図示を省略する。）と、ディジタル信号処理回路で構成される。単一光子検出器２０の出力がアナログ信号の場合は、Ａ／Ｄ変換部でディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理回路に送られる。なお、光子の検出の有無を判定する用途であれば、Ａ／Ｄ変換部は、アナログ信号の強度が一定の閾値を超えた場合に「１」を出力し、それ以外の場合は「０」を出力する機能を有していれば良い。
【００２７】
ディジタル信号処理回路は、検出時刻列記録部３２と、判定部３４とを備えて構成される。
【００２８】
検出時刻列記録部３２は、時間Ｔの間に、単一光子検出器２０が光子を検出した時刻を時刻列｛ｔｉ｝として、例えば、ディジタル信号処理回路が備えるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶部３６に記録する。
【００２９】
判定部３４は、時刻列を記憶部３６から読み出して、Ｍ×ΔＴ≦ｔｉ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ｔｉがあれば、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ＴＭにおいて、単一光子検出器２０が光子を検出したと判定し、乱数列の第Ｍ番目の値を「１」とする。一方、判定部３４は、Ｍ×ΔＴ≦ｔｉ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ｔｉがなければ、Ｍ×ΔＴ≦ＴＭ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ＴＭにおいて、単一光子検出器２０が光子を検出しなかったと判定し、乱数列の第Ｍ番目の値を「０」とする。この判定を、Ｍを０からＮ−１までそれぞれ行えば、Ｎビットの乱数列が生成される（図２（Ａ）参照）。
【００３０】
ここで、単一光子検出器２０に入力される、単一光子レベルの微弱な連続光の単位時間当たりの平均光子数をμとすると、単位時間スロットに含まれる光子数の平均値は、μΔＴとなる。今、時間ΔＴごとに区切った１／（μΔＴ）個の時間スロットを用意したとき、入力光は連続光であるので、各時間スロットにおける光子の検出確率はμΔＴで一定である。この結果、光子は、平均して、１／（μΔＴ）個の時間スロットのいずれか一箇所に含まれることになる。
【００３１】
このとき、光子が、１／（μΔＴ）個の時間スロットの何番目の時間スロットに含まれているかはわからない。すなわち、光子がｋ番目の時間スロットに含まれている状態を｜ｋ＞として、以下の式（１）で表される重ね合わせの状態になる。
【００３２】
【数１】
2019021137.tif 000003
【００３３】
これは、光子がどの時間スロットに含まれているかという情報が自然乱数になっていることを示している。すなわち、単一光子検出器２０で光子を検出した検出時刻は自然乱数となっている。
【００３４】
ここで、可変光減衰器１４の減衰量を変更することにより、平均光子数μの値が変化する。上述したように、光子は、平均して、１／（μΔＴ）個の時間スロットのいずれか一箇所に含まれる。このため、μの値が小さくなると、１／（μΔＴ）の値が大きくなり、その結果、Ｍ×ΔＴ≦ｔｉ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ｔｉが存在する確率が小さくなる。すなわち、マーク率が小さくなる（図２（Ｂ）参照）。逆にμの値が大きくなると、マーク率が大きくなる。
【００３５】
このように、可変光減衰器１４の減衰量の変更により、容易に所望のマーク率に変更することができる。
【００３６】
同様に、時間スロットの幅の変更により、マーク率の変更を行ってもよい。時間スロット幅を小さくすれば、１／（μΔＴ）の値が大きくなり、その結果、Ｍ×ΔＴ≦ｔｉ＜（Ｍ＋１）×ΔＴを満足する時刻ｔｉが存在する確率が小さくなる。すなわち、マーク率が小さくなる(図２（Ｃ）参照)。逆にΔＴの値が大きくなると、マーク率が大きくなる。
【００３７】
この発明の乱数信号発生器及び乱数信号発生方法によれば、単一光子光源が生成した光子を単一光子検出器が検出した時刻に基づいて乱数を生成する。このため、複数の単一光子検出器を用いることなく、１つの単一光子検出器で乱数信号発生器を構成できるなど、簡易な装置構成が実現できる。また、単一光子光源が備える可変光減衰器の減衰量や、単位時間スロットを変更すれば、マーク率を所望の値に、容易に変更することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    単一光子光源
１２    連続光源
１４    可変光減衰器
２０    単一光子検出器
３０    乱数生成部
３２    検出時刻列記録部
３４    判定部
３６    記憶部
【図１】
2019021137.tif 000004
【図２】
2019021137.tif 000005