(57)【要約】【課題】廉価かつ簡易な構成の装置を用いて、より無秩序な乱数を発生させる新規な方法、並びに前記方法に適用する装置を提供する。【解決手段】複数の単電子インバータを直列に接続する。次いで、前記複数の単電子インバータそれぞれのノードの電位をゼロとし、初期化する。次いで、前記複数の単電子インバータから選択されたいずれか一つにおけるノードの電位を変化させ、前記複数の単電子インバータの、前記選択された単電子インバータを除く残りにおけるノードの電位を、前記選択された単電子インバータの電位変化に起因させて確率的に変化させる。次いで、  前記残りの単電子インバータから選ばれるいずれか一つの単電子インバータにおけるノードの電位を乱数として出力する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電子インバータを直列に接続する工程と、
前記複数の単電子インバータそれぞれのノードの電位をゼロとし、初期化する工程と、
前記複数の単電子インバータから選択されたいずれか一つにおけるノードの電位を変化させ、前記複数の単電子インバータの、前記選択された単電子インバータを除く残りにおけるノードの電位を、前記選択された単電子インバータの電位変化に起因させて確率的に変化させる工程と、
前記残りの単電子インバータから選ばれるいずれか一つの単電子インバータにおけるノードの電位を乱数として出力させる工程と、を具えることを特徴とする、乱数発生方法。
【請求項２】
前記単電子インバータは、互いに直列に接続された４個のトンネル接合と、前記トンネル接合と並列に接続された２個の入力キャパシタと、前記トンネル接合と並列に接続された２個のバイアスキャパシタと、前記トンネル接合と並列に接続された単一の出力キャパシタとを具え、前記ノードは、前記トンネル接合と前記出力キャパシタとの接点に規定することを特徴とする、請求項１に記載の乱数発生方法。
【請求項３】
前記トンネル接合は、第１のトンネル接合及び第２のトンネル接合からなる第１のトンネル接合領域と、第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合からなる第２のトンネル接合領域とに分離され、前記出力キャパシタは、前記第１のトンネル接合領域及び前記第２のトンネル接合領域間に接続することを特徴とする、請求項２に記載の乱数発生方法。
【請求項４】
前記入力キャパシタは、それぞれ前記第１のトンネル接合領域における前記第１のトンネル接合及び前記第２のトンネル接合間、並びに前記第２のトンネル接合領域における前記第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合間に接続することを特徴とする、請求項３に記載の乱数発生方法。
【請求項５】
前記バイアスキャパシタは、それぞれ前記第１のトンネル接合領域における前記第１のトンネル接合及び前記第２のトンネル接合間、並びに前記第２のトンネル接合領域における前記第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合間に接続することを特徴とする、請求項３又は４に記載の乱数発生方法。
【請求項６】
前記単電子インバータにおいて、前記第１のトンネル接合領域は正電位側に位置させ、前記第２のトンネル接合領域は負電位側に位置させることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一に記載の乱数発生方法。
【請求項７】
前記単電子インバータにおいて、前記第１のトンネル接合を負電位にバイアスし、前記第２のトンネル接合領域を正電位にバイアスすることを特徴とする、請求項６に記載の乱数発生方法。
【請求項８】
前記乱数は、前記単電子インバータに印加する正又は負の電源電圧値として得ることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の乱数発生方法。
【請求項９】
互いに直列に接続された複数の単電子インバータを具えることを特徴とする、乱数発生装置。
【請求項１０】
前記単電子インバータは、互いに直列に接続された４個のトンネル接合と、前記トンネル接合と並列に接続された２個の入力キャパシタと、前記トンネル接合と並列に接続された２個のバイアスキャパシタと、前記トンネル接合と並列に接続された単一の出力キャパシタとを具え、前記トンネル接合と前記出力キャパシタとの接点にノードを規定したことを特徴とする、請求項９に記載の乱数発生装置。
【請求項１１】
前記トンネル接合は、第１のトンネル接合及び第２のトンネル接合からなる第１のトンネル接合領域と、第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合からなる第２のトンネル接合領域とに分離され、前記出力キャパシタは、前記第１のトンネル接合領域及び前記第２のトンネル接合領域間に接続したことを特徴とする、請求項１０に記載の乱数発生装置。
【請求項１２】
前記入力キャパシタは、それぞれ前記第１のトンネル接合領域における前記第１のトンネル接合及び前記第２のトンネル接合間、並びに前記第２のトンネル接合領域における前記第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合間に接続したことを特徴とする、請求項１１に記載の乱数発生装置。
【請求項１３】
前記バイアスキャパシタは、それぞれ前記第１のトンネル接合領域における前記第１のトンネル接合及び前記第２のトンネル接合間、並びに前記第２のトンネル接合領域における前記第３のトンネル接合及び第４のトンネル接合間に接続したことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の乱数発生装置。
【請求項１４】
前記単電子インバータにおいて、前記第１のトンネル接合領域は正電位側に位置させ、前記第２のトンネル接合領域は負電位側に位置させることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一に記載の乱数発生装置。
【請求項１５】
前記単電子インバータにおいて、前記第１のトンネル接合は負電位にバイアスされ、前記第２のトンネル接合領域は正電位にバイアスされたことを特徴とする、請求項１４に記載の乱数発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、暗号生成、遺伝的アルゴリズム、モンテカルロシュミレーション、ＣＤＭＡ、及びニューラルネットワークなどの一様乱数を必要とする信号処理回路などに好適に用いることができる、乱数発生方法及び乱数発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
完全に無秩序であり、かつ全体としては出現頻度が等しくなる乱数は、社会現象や物理現象の数値シュミレーションなどに広く利用されている。また、乱数は暗号技術としても重要な役割を果たしており、情報の保護の分野でもその需要が高い。現在、乱数の発生方法として種々の方法が開発されているが、そのほとんどはアルゴリズムによるソフト的な疑似乱数の生成である。しかしながら、コンピュータは有限の情報しかとらないために、生成された乱数は周期性を持つ傾向がある。このため、アルゴリズムを用いたソフト的な方法では、一様な乱数を生成することは困難であった。
【０００３】
また、ＬＳＩを用いたＭ系列と呼ばれる疑似乱数発生方法も提案されている。この方法は、ＬＳＦＲ（線形帰還シフトレジスタ：Ｌｉｎｅａｒ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｓｈｉｆｔ  Ｒｅｓｉｓｔｅｒ）と呼ばれる複数個のレジスターからなる回路によって実現されている。この回路の状態は周期的に変化するので、この周期的な変化を利用することによって乱数を生成する。この場合、乱数の性質は前記回路状態の変化における周期の長さに依存し、一様な乱数を得るべく前記回路状態変化の周期を大きくしようとすると回路規模が増大してしまい、集積化の妨げとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、廉価かつ簡易な構成の装置を用いて、一様で無秩序な乱数を発生させる新規な方法、並びに前記方法に適用する装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
複数の単電子インバータを直列に接続する工程と、
前記複数の単電子インバータそれぞれのノードの電位をゼロとし、初期化する工程と、
前記複数の単電子インバータから選択されたいずれか一つにおけるノードの電位を変化させ、前記複数の単電子インバータの、前記選択された単電子インバータを除く残りにおけるノードの電位を、前記選択された単電子インバータの電位変化に起因させて確率的に変化させる工程と、
前記残りの単電子インバータから選ばれるいずれか一つの単電子インバータにおけるノードの電位を乱数として出力させる工程と、を具えることを特徴とする、乱数発生方法に関する。
【０００６】
また、本発明は、
互いに直列に接続された複数の単電子インバータを具えることを特徴とする、乱数発生装置に関する。
【０００７】
単電子インバータは、クーロンブロッケードと呼ばれる電子同士の電荷の反発を利用したデバイスで、電子１個の動きを制御できる。また、微細で省電力であって大規模集積に適している。単電子インバータは、その動作が量子力学で説明されるトンネル効果によって規定されており、前記トンネル効果が確率的な現象であるため、前記単電子インバータの動作も確率的になる。したがって、前記単電子インバータの前記確率的な動作を利用することによって、乱数を生成することができるようになる。
【０００８】
具体的には、本発明に従って、複数の単電子インバータを直列に接続した後、これら単電子インバータのノードの電位をゼロにして初期化する。次いで、前記複数の単電子インバータから選択されたいずれか一つを駆動させ、そのノード電位を変化させることにより、前記ノード電位は残りの単電子インバータで増幅されるとともに、これら単電子インバータにおけるノードの電位も変化し、前記選択された単電子インバータによって増幅されるようになる。
【０００９】
前記選択された単電子インバータのノード電位は、単電子インバータの確率的動作に起因して変動し、したがって前記残りの単電子インバータのノード電位も確率的に変動するようになる。この結果、前記複数の単電子インバータが定常状態になった後に、前記残りの単電子インバータのノード電位を出力させるようにすれば、そのノード電位の出力値は前記単電子インバータの確率的動作に起因して確率的に変化するようになる。したがって、前記ノード電位の出力値は乱数としての性質を有するようになり、前記出力値によって乱数を得ることができるようになる。
【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点については、以下の発明の実施の形態で説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の乱数発生装置の一例を示す構成図である。図１に示す乱数発生装置は、第１の単電子インバータ１０と第２の単電子インバータ２０とが直列に接続されている。
【００１２】
第１の単電子インバータ１０は、４つのトンネル接合Ｔ１〜Ｔ４を有するとともに、２つの入力キャパシタＣ１及びＣ２、２つのバイアスキャパシタＣ３及びＣ４、並びに出力キャパシタＣ５を有している。トンネル接合Ｔ１及びＴ２は第１のトンネル接合領域を構成し、トンネル接合Ｔ３及びＴ４は第２のトンネル接合領域を構成している。
【００１３】
トンネル接合Ｔ１〜Ｔ４は互いに直列に接続されるとともに、出力キャパシタＣ５は、トンネル接合Ｔ２及びＴ３間において、トンネル接合Ｔ１〜Ｔ４と並列に接合されている。入力キャパシタＣ１及びＣ２は、それぞれトンネル接合Ｔ１及びＴ２間、並びにトンネル接合Ｔ３及びＴ４間において、トンネル接合Ｔ１〜Ｔ４と並列に接続されている。また、バイアスキャパシタＣ３及びＣ４は、同じくトンネル接合Ｔ１及びＴ２間、並びにトンネル接合Ｔ３及びＴ４間において、トンネル接合Ｔ１〜Ｔ４と並列に接続されている。
【００１４】
第２の単電子インバータ２０は、４つのトンネル接合Ｔ５〜Ｔ８を有するとともに、２つの入力キャパシタＣ６及びＣ７、２つのバイアスキャパシタＣ８及びＣ９、並びに出力キャパシタＣ１０を有している。トンネル接合Ｔ５及びＴ６は第１のトンネル接合領域を構成し、トンネル接合Ｔ７及びＴ８は第２のトンネル接合領域を構成している。
【００１５】
トンネル接合Ｔ５〜Ｔ８は互いに直列に接続されるとともに、出力キャパシタＣ１０は、トンネル接合Ｔ６及びＴ７間において、トンネル接合Ｔ５〜Ｔ８と並列に接合されている。入力キャパシタＣ６及びＣ７は、それぞれトンネル接合Ｔ５及びＴ６間、並びにトンネル接合Ｔ７及びＴ８間において、トンネル接合Ｔ５〜Ｔ８と並列に接続されている。また、バイアスキャパシタＣ８及びＣ９は、同じくトンネル接合Ｔ５及びＴ６間、並びにトンネル接合Ｔ７及びＴ８間において、トンネル接合Ｔ５〜Ｔ８と並列に接続されている。
【００１６】
なお、第１の単電子インバータ１０において、ノード１は、トンネル接合Ｔ１〜Ｔ４と出力キャパシタＣ５との接点に規定され、第２の単電子インバータ２０において、ノード２は、トンネル接合Ｔ５〜Ｔ８と出力キャパシタＣ１０との接点に規定されている。
【００１７】
図１に示す乱数発生装置を用いた場合、最初に、ノード１及びノード２の電位をゼロとして初期化する。
【００１８】
次いで、図示しない電源から第１の単電子インバータ１０及び第２の単電子インバータ２０に対して所定の電源電圧ＶＤＤ及び−ＶＤＤを印加して駆動させる。
【００１９】
第１の単電子インバータ１０においては、トンネル接合Ｔ１及びＴ２を含む第１のトンネル接合領域に正電位ＶＤＤを印加し、トンネル接合Ｔ３及Ｔ４を含む第２のトンネル接合領域を負電位−ＶＤＤを印加する。このとき、前記第１のトンネル接合領域には、バイアスキャパシタＣ３を介して負のバイアス電圧−ＶＤＤを印加し、前記第２のトンネル接合領域には、バイアスキャパシタＣ４を介して正のバイアス電圧ＶＤＤを印加する。
【００２０】
第２の単電子インバータ２０においても、トンネル接合Ｔ５及びＴ６を含む第１のトンネル接合領域に正電位ＶＤＤを印加し、トンネル接合Ｔ７及Ｔ８を含む第２のトンネル接合領域を負電位−ＶＤＤを印加する。このとき、前記第１のトンネル接合領域には、バイアスキャパシタＣ８を介して負のバイアス電圧−ＶＤＤを印加し、前記第２のトンネル接合領域には、バイアスキャパシタＣ９を介して正のバイアス電圧ＶＤＤを印加する。
【００２１】
なお、各単電子インバータにおいて、上述したバイアス電圧をトンネル接合に印加することによって、各単電子インバータの前記第１のトンネル接合領域をｐスイッチとして機能させることができ、前記第２のトンネル接合領域をｎスイッチとして機能させることができる。
【００２２】
この場合、各単電子インバータは、ｐスイッチとしての単電子トランジスタとｎスイッチとしての単電子トランジスタとが直列に接続された構成を呈する。なお、単電子インバータについては、例えば「単電子インバータの将来展望」、高橋康夫著、電子通信情報学会誌１１／２００２に詳細に記載されている。
【００２３】
上述のようにして、単電子インバータ１０及び２０が駆動されると、単電子インバータが本来的に有する確率的な動作に基づき、第１の単電子インバータ１０のノード１の電位は変動する。例えばノード１の電位がわずかに上昇したとすると、その電位は第２の単電子インバータ２０のインバータ作用に基づいて増幅される。このとき、第２の単電子インバータ２０のノード２の電位は減少するようになるが、この電位も第１の単電子インバータ１０のインバータ作用によって増幅される。所定の時間が経過して乱数発生装置が定常状態に達すると、第２の単電子インバータ２０のノード２の電位は−ＶＤＤとなる。
【００２４】
一方、第１の単電子インバータ１０のノード１の電位がわずかに減少したとすると、第２の単電子インバータ２０のノード２の電位は上昇し、それぞれの電位は互いのインバータ作用によって増幅される。この結果、所定の時間が経過して乱数発生装置が定常状態に達すると、第２の単電子インバータ２０のノード２の電位はＶＤＤとなる。
【００２５】
第１の単電子インバータ１０のノード１の電位の増減は、単電子インバータの確率的な動作に基づいて１／２の確率で生じるから、第２の単電子インバータ２０のノード２における電位ＶＤＤ及び−ＶＤＤも１／２の確率で出現するようになる。したがって、第２の単電子インバータ２０のノード２における電位ＶＤＤ及び−ＶＤＤはランダムに出現するようになるので、これらの電位に対応させて乱数を設定することができるようになる。したがって、第２の単電子インバータ２０から電位ＶＤＤ及び−ＶＤＤを出力させることにより、一様な乱数を生成することができるようになる。
【００２６】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、廉価かつ簡易な構成の装置を用いて、一様で無秩序な乱数を発生させる方法、及び前記方法に適用する装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の乱数発生装置の一例を示す構成図である。
【図１】
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