(57)【要約】オールファイバの光学的量子乱数発生器を開示する。この発生器は、一つの入力ポートと二つの出力ポートをもつ光カプラと、入力ポートに接続され、入力ポートから出力ポートに伝達される単一光子を放射する単一光子源と、二つの出力ポートの各々に接続され、いずれか一方の出力ポートから出る光子を検出する単一光子検出器と、単一光子検出器の検出結果にしたがって乱数を生成する手段とを含む。本発明の発生器は、真にランダムな数を生成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの入力ポートと二つの出力ポートをもつ光カプラと、
前記入力ポートに接続され、単一光子の列を生成する単一光子源と、
前記二つの出力ポートに接続された二つの単一光子検出器と、
前記単一光子検出器の検出結果にしたがって乱数を生成する手段とを含み、
各単一光子は前記入力ポートから前記二つの出力ポートのいずれか一方に伝達され、各単一光子検出器は、いずれか一方の出力ポートから出る単一光子を検出することを特徴とする乱数生成器。
【請求項２】
前記単一光子源は、
光線を放射するレーザと、
前記レーザから放射された光を単一光子の列に減衰する可変光減衰器とを含む請求項１の乱数生成器。
【請求項３】
前記レーザは任意のレーザである請求項２の乱数生成器。
【請求項４】
前記光カプラは導波管または光ファイバカプラである請求項１の乱数生成器。
【請求項５】
前記光カプラは５０対５０の分配比をもつ請求項１の乱数生成器。
【請求項６】
前記単一光子検出器は、半導体検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、または光電子増倍管検出器のいずれかである請求項１の乱数発生器。
【請求項７】
前記レーザ、前記可変光減衰器、前記光カプラ、および前記単一光子検出器は、ファイバ・コネクタを使って光ファイバで接続されている請求項１の乱数発生器。
【請求項８】
一つの入力ポートと二つの出力ポートをもつ光カプラと、
前記入力ポートに接続され、単一光子の列を生成する単一光子源と、
前記二つの出力ポートに接続された光子検出器とを含み、
各単一光子は前記入力ポートから前記二つの出力ポートのいずれか一方に伝達され、前記光子検出器は、いずれか一方の出力ポートから出る単一光子を検出し、その検出結果にしたがって乱数を生成することを特徴とする乱数生成器。
【請求項９】
単一光子の列を生成するステップと、
二つの出力ポートをもつ光カプラに各単一光子を発射するステップと、
いずれか一方の出力ポートから出る単一光子を検出し、その検出結果にしたがって乱数を生成するステップとを含むことを特徴とする乱数生成方法。
【請求項１０】
前記単一光子の列を生成するステップは、光線を生成し、その光線を単一光子の列に減衰させる請求項９の方法。
【請求項１１】
一方の出力ポートから出る単一光子は「１」を表し、他方の出力ポートから出る単一光子は「０」を表す請求項９の方法。
【請求項１２】
前記光カプラは５０対５０の分配比をもつ請求項９の方法。
【請求項１３】
前記光カプラは導波管または光ファイバカプラである請求項９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は乱数発生器に関する。特に、本発明は量子光学に基づく乱数発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数は、結果の予測が不可能でかつ再現性のないプロセスによって生成される数である。乱数は、コンピューターサイエンスおよびコンピュータ工学、通信、情報セキュリティ、通信システムの信頼性試験、およびその他のアプリケーションに非常に役立つ。工学では、乱数はシステムの信頼性をテストするために常に用いられている。テスト乱数の品質によりシステムの信頼性が決定づけられる。また、情報セキュリティの分野では、乱数の品質はセキュリティ全体の鍵となる要因である。
【０００３】
主な乱数発生器には２種類ある。その一つはソフトウェア・ベースの生成器である。一般的な観点から言えば、アルゴリズムによって生成される系列は常に周期的であるため、ソフトウェア発生器はいわゆる疑似乱数を生成することになる。疑似乱数は、いくつかのアプリケーションで用いられてきたが、ランダム性の要件が厳しい大部分のアプリケーションには向いていない。
【０００４】
もう一つのタイプは、（古典物理学および量子物理学の両方の意味で）物理的な乱数発生器である。古典物理学によって記述される巨視的なプロセスは、乱数を生成するのに用いることができる。表面上、乱数は電子回路のちょっとした変動によって生じる「雑音」を使って生成することができる。そのような電子雑音デバイスが真の乱数を生成するかどうかは、疑問視されている。決定論は複雑さの背後に隠されている。残念なことに、電子雑音デバイスはもともと疑似乱数発生器より遅いことが多く、相当量の乱数が必要とされるアプリケーションには不向きである。雑音ベースの乱数発生装置のもう一つの欠点は、システムが周囲温度や電磁界のような環境パラメータと相互作用しないことを保証することが難しいことである。電子雑音デバイスは、時間とともに不安定になりうる。
【０００５】
近年、量子物理学に基づいて乱数を生成する方法が重要となってきた。古典物理学とは逆に、量子物理学は基本的にランダムである。それは、ランダム性を統合する現代物理学の枠組における唯一の理論である。この事実は、光の量子論を発明したアインシュタインのような物理学者にとっては困惑きわまりないものだった。真にランダムな数は放射性元素の放射性崩壊を観察することによって生成することができる。量子物理学に基づくそのような方法は、優れた品質の乱数を生成することができるけれども、そのような生成器は商用のアプリケーションには向いていない。
【０００６】
ジュネーブ大学からスピンオフしたid Quantiqueという会社は、量子物理学に基づく量子機械式乱数発生器を市場に出した。そのランダム性は光子と呼ばれる単一の「光の粒子」が半透明の鏡に当たるときのランダムな振る舞いによって保証されている。半透明の鏡に照射される光源によって生成された光子は５０パーセントの確率で反射または透過し、その測定値を量子ランダムビットの列に変換することができる。しかし、検出器に対して半透明の鏡の位置合わせを行うことは少し難しい。もう一つの欠点は他のデバイスやコンポーネントと統合することが困難であることであり、そのため、構成のサイズと原価を下げることが難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一つの目的は、単一光子のランダムな振る舞いを用いることにより、真の乱数を生成するオールファイバ（all-fiber）の光学的乱数生成器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の乱数生成器は、一つの入力ポートと二つの出力ポートをもつ光カプラと、前記入力ポートに接続され、前記入力ポートから前記二つの出力ポートのいずれか一方に伝達される単一光子の列を生成する単一光子源と、前記二つの出力ポートに接続された単一光子検出器と、前記単一光子検出器の検出結果にしたがって乱数を生成するデバイスとを含む。
【０００９】
本発明はさらに乱数を生成する方法を提供する。この方法は、単一光子の列を生成し、単一光子を二つの出力ポートをもつ光カプラにカップリングさせ、いずれか一方の出力ポートから出る単一光子を検出し、その検出結果にしたがって乱数を生成する。
【００１０】
本発明の乱数生成器は、オールファイバのデバイス、たとえば、ファイバ、可変光減衰器、レーザ、および単一光子検出器（これらはすべてファイバコネクタをもつ）と、光ファイバカプラとで実装され、実に単純で安価で、信頼性が高く、効果的である。さらに、上述のすべての光学デバイスをファイバコネクタだけを用いてつなぐと利便性がある。レンズや鏡を用いる必要がなく、また、光学的な位置合わせのために複雑な手続きをする必要がないからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
量子システムがランダムな特性をもつことは当業者に知られている。この特性は本来備っているものであり、真の乱数生成器を設計するために利用することができる。
【００１２】
図１で示すように、本発明の実施の形態に係る乱数発生器は、単一光子源１００、一つの入力ポート２０１と二つの出力ポート２０２、２０３をもつ光カプラ２００、および単一光子検出器カウンタ３００を含む。
【００１３】
単一光子源１００は、単一光子の列を生成するために利用される。単一光子は光カプラ２００の入力ポート２０１に一つ一つ発射される。光カプラ２００は、５０対５０の配分比を持つ従来の光ファイバカプラである。単一光子源１００からの単一光子は、カプラ２００の入力ポート２０１からカプラ２００のいずれか一方の出力ポートに伝達される。単一光子検出器カウンタ３００は、出力ポートに接続されており、いずれか一方の出力ポートから出る光子を検出する。図１に示すように、出力ポート２０２から出る単一光子は「０」を表し、出力ポート２０３から出る単一光子は「１」を表すように割り当てることができる。正反対の割り当ても有効である。このように、単一光子のランダムな振る舞いを用いることにより、真の乱数を得ることが可能である。
【００１４】
前述の通り、二つの出力ポート２０２、２０３の各々から単一光子が出力される確率は同じである。本発明の光カプラは、光カプラに入る単一光子がポート２０２または２０３から同じ確率（５０対５０）で出ることを可能にする。
【００１５】
ポート２０２に対して、状態を次式で表すことができる。
【数１】
2008547072.tif 000003
ここで｜０＞はポート２０２から出る光子がないことを表し、｜１＞は一つの光子がポート２０２から出ることを表す。
【００１６】
ポート２０２における検出結果は離散的であるので、単一光子列が入力ポートに連続して発射されるならば、この機構によって、離散的な乱数列を生成することができる。ポート２０３における測定結果とポート２０２における測定結果は互いに補い合うものである。上述の生成器に対して、ポート２０２、２０３における全状態は、次の等式（２）によって記述することができる。
【数２】
2008547072.tif 000004
【００１７】
上記の式（２）は、絡み合った状態（entangled state）を表す。
【００１８】
上記の原則から、ランダムな特性をもつ量子システムは、一つの入力ポートと二つの同一の出力ポートをもった単一のカプラと、ファイバのピグテールとコネクタとがあれば簡単に実現することができる。本発明の乱数発生器を図２を参照しながらさらに説明する。
【００１９】
図２は、本発明の乱数発生器のもう一つの実施の形態を示す。
【００２０】
図２に示すように、本発明の乱数発生器は、レーザ１０によって実装することができる単一光子源、可変光減衰器（ＶＯＡ）２０、一つの入力ポート３１と二つの出力ポート３２、３３を含む５０対５０の光ファイバカプラ３０、ポート３２を介して光カプラ３０に接続された第１の単一光子検出器（ＳＰＤ）４０、ポート３３を介して光カプラ３０に接続された第２の単一光子検出器（ＳＰＤ）６０、および単一光子検出器４０、６０の検出結果から乱数を生成するための手段５０を含む。
【００２１】
あるいは、単一光子源として、パルスごとに正確に一つの光子を発するものが、将来的には可視や近赤外の波長でも利用可能になろう。単一光子源をつくるために、自然発生的なパラメトリック下方変換を用いることもできる。
【００２２】
本発明のある実施の形態では、カプラ３０は導波管または光ファイバ・カプラで実装することができる。
【００２３】
本発明の他の実施の形態では、ＳＰＤ４０またはＳＰＤ６０は、半導体検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサまたは光電子増倍管検出器で実装することができる。
【００２４】
本発明では、レーザ１０は光線を放射し、その光線はＶＯＡ２０においてある規則的な間隔で単一光子に減衰される。単一光子は、５０対５０のカプラ３０の入力ポート３１に発射される。その後、単一光子はカプラを離れて同じ確率でポート３２またはポート３３のいずれか一方から出る。したがって、ＳＰＤ４０または６０によって単一光子を検出する確率は、ポート３２またはポート３３のいずれにおいても、それぞれ５０％であり、光子を検出しない確率についても同じである。したがって、ポート３２において検出された結果は、本質的に、真にランダムである。ポート３３における測定結果については、それらのビットは上述のように、ポート３２における測定結果と相補的なものであり、したがって、こちらも真にランダムである。
【００２５】
本発明によると、乱数発生器は、単一光子を生成し、単一光子をファイバ、ファイバ・カプラ、およびファイバコネクタをもつ他のコンポーネントの内部で伝搬させることによって実装され、単純で、安価で、信頼性が高く、効果的である。さらに、ファイバ・デバイスを使用したことから、単にファイバ・コネクタを使うことによって単一光子検出器に接続することができ、レンズや鏡を使う必要がなく、また、光学的な位置合わせのために複雑な手続きが要らない点、利便性がある。
【００２６】
本発明の特定の実施の形態では、単一光子検出器４０、６０は、摂氏マイナス５１度に冷却され、ゲーティッドモードで動作する。ここで利用されるレーザの波長は、およそ１５５０ナノメートル（ｎｍ）である。ＳＰＤの検出効率は、１０％以上である。従来の連続波レーザ光線は、統計的な単一光子を得るために、単一光子の列にまで減衰される。規則的な間隔（好ましくは０．２ナノセカンド（ｎｓ））のカウントは、統計的な単一光子が得られることを保証するために０．１未満にする。
【００２７】
国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）によって発行されるＮＩＳＴテストを行って本発明の発生器で得られるデータのランダム特性をチェックする。乱数発生器のためのＮＩＳＴ統計的検定一式は、一連の１６の統計的検定を提供する。これらのテストは、パターンの存在を評価するものであり、もしパターンが検出されるならば、それは当該シーケンスがランダムでないことを示している。ランダムなシーケンスの特性は、確率の用語で記述することができる。各テストでは、Ｐ値と呼ばれる確率が抽出される。この値は、完全ランダム仮説に反する証拠の強さを要約するものである。ゼロのＰ値は、当該シーケンスが完全に非ランダムであることを示す。０．０１より大きいＰ値は、当該シーケンスが９９％の確度でランダムであると考えられることを意味する。ここでは、実験データをチェックするために一つの方法だけを用いる。
【００２８】
上記の試験方法において、シーケンスの長さとしてｎ＝３７２４（１００より大きい）を選んだ。たとえば、シーケンスは以下である。
0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  0  0  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  0  1  0  1  1  0  1  1  0  0  1  1  0  1  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  0  1  0  0  1  1  0  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  0  1  1  1  0  1  0  1  0  0  0  0  1  0  1  1  0  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  0  1  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  0  1  0  1  0  0  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  1  0  0  1  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  1  0  1  1  0  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  0  1  1  0  1  1  0  1  1  0  1  0  1  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  0  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  0  1  0  1  0  0  1  1  0  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  1  0  1  1  0  0  1  1  0  0  1  0  0  0  1  1  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  1  0  0  0  0  0  1  0  1  0  0  1  1  0  1  0  0  1  1  0  1  1  0  1  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  0  1  1  0  1  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  0  0  1  1  0  1  0  1  0  0  1  1  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  1  0  1  0  1  1  0  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  1  1  0  0  0  1  1  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0  0  1  0  1  0  0  0  1  0  0  1  0  0  1  0  1  1  0  1  0  1  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  1  0  1  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  0  1  1  0  0  1  0  0  1  0  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  0  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  0  0  1  0  1  1  0  0  0  1  0  1  1  1  0  1  0  1  1  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  1  0  1  1  0  1  1  1  0  0  1  1  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  0  0  1  1  1  0  1  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  1  0  1  1  1  0  0  1  0  1  1  1  0  1  0  0  0  1  0  1  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  0  0  0  1  0  1  1  1  0  1  1  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  1  1  1  0  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  0  1  0  0  1  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  1  1  0  1  0  1  0  0  1  1  1  0  1  0  1  0
【００２９】
Ｓｎ＝３２、Ｓｏｂｓ＝３２／６１．０２４＝０．５２４である。対応するＰ値は、
【数３】
2008547072.tif 000005
である。
【００３０】
前述の標準からすれば、Ｐ値は０．０１よりも大きい、すなわちP-value≧0.01であるから、当該シーケンスはランダムである。したがって、我々の生成器は乱数のシーケンスを生成するという結論が得られることが明らかである。
【００３１】
一方、我々は検出器における暗電流から生成される雑音シーケンスのランダム性を測定する。たとえば、シーケンスは次の通りである。
0  0  1  1  0  0  0  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  1  0  0  1  0  1  0  0  0  0  1  0  0  0  0  1  1  1  0  1  0  0  0  0  1  1  0  0  0  1  1  0  0  1  1  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  1  1  0  0  1  1  0  1  0  0  1  1  1  0  1  0  0  0  0  0  0  1  0  1  0  0  1  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  1  0  0  0  1  1  1  1  0  0  0  0  0  0  1  1  1  1  0  0  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  1  1  0  1  0  1  0  1  0  0  0  1  0  0  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  0  0  0  0  1  0  1  0  0  1  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  1  1  0  0  1  0  0  1  0  0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  1  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  1  0  0  1  1  0  0  1  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  1  1  0  0  0  1  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0  0  1  1  0  1  1  0  0  0  0  0  0 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ここで、Ｐ値は４．０８×１０−１５４である。標準からすると、これは非ランダムである。
【００３２】
前述の標準によれば、Ｐ値が０．０１より大きい、すなわちP-value≧0.01であるとき、シーケンスはランダムである。したがって、本発明による発生器が乱数シーケンスを生成するという結論が得られることは明らかである。
【００３３】
本発明を上記の実施の形態および例示をもとに説明した。本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更を加えたり、代替物や均等物を用いることができることは当業者に理解されるところである。したがって、上記の説明は請求項で定義される本発明の範囲を制限するものとして扱われてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る量子乱数生成器の原理を示す図である。
【図２】本発明の乱数生成器のある実施の形態を示す図である。
【図１】
2008547072.tif 000006
【図２】
2008547072.tif 000007
【国際調査報告】
2008547072.tif 000008
2008547072.tif 000009