(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム・スプリッタ（８，１８）における粒子のランダムな光路選択と、前記ビーム・スプリッタの出力チャネル（１１，１２，１６，１７）のうちの１つからの粒子を少なくとも２つの検出器（Ｄ１，Ｄ１’，Ｄ２，Ｄ２’）のうちの１つで検出することによって行われる、量子力学ベースで乱数（ランダム順序）を発生する方法であって、前記方法は、
ａ）個々の粒子を、粒子源（３、３’）から異なる空間方向に異なる光路（５、６）に沿って放射し、それにより、少なくとも２つの量子力学的に相関する粒子からなる多粒子状態が生成され、
ｂ）前記放射された粒子を前記ビーム・スプリッタの入力チャネルに注入して、前記ビーム・スプリッタで干渉を引き起こさせ、
ｃ）前記ビーム・スプリッタにおける全ての粒子を、前記ビーム・スプリッタの共通出力チャネル（１１，１２，１６，１７）に向け、そして前記出力チャネルに関連する検出器に衝突させるよう、前記光路に配置された少なくとも１つの粒子影響素子（７，９）を調節し、そして、
ｄ）前記検出器の応答確率が、少なくとも２つの粒子のほぼ同時衝突により増大することとを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
粒子が光子であり、ビーム・スプリッタ（８，１８）が光ビーム・スプリッタであり、そして検出器が光検出器であることを特徴とするプロセス。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、多光子状態がパラメトリック蛍光によって生成されることを特徴とするプロセス。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法において、ビーム・スプリッタ（８，１８）の出力（１１，１２，１６，１７）間で一致が測定され、最小限に抑えられるよう、粒子影響素子（７，９）を調節することを特徴とするプロセス。
【請求項５】
（マルチ・ディジットの）乱数（ランダム順序）を発生し、特に先行する請求項の何れかによるプロセスを実行するための乱数発生器であって、粒子源（３，３’）によって放出される粒子がビーム・スプリッタに衝突するように配置されている前記粒子源（３，３’）およびビーム・スプリッタ（８，１８）と、粒子源（３，３’）によって放射される粒子を検出することができ、ビーム・スプリッタ（８，１８）の出力（１１，１２，１６，１７）とそれぞれ関連づけられている少なくとも２つの検出器（Ｄ１，Ｄ１’，Ｄ２，Ｄ２’）とを含み、検出器（Ｄ１，Ｄ１’，Ｄ２，Ｄ２’）のうちの１つでの計数事象が、検出装置により検出され、ランダム順序を生成させるために使用される所定の数値と特に関連する検出器であり、
ａ）粒子源（３，３’）が量子力学的に相関する状態にある少なくとも２つの粒子をほぼ同時に放出することができる多粒子源であり、
ｂ）粒子源（３，３’）により放出される粒子が、ビーム・スプリッタ（８，１８）の入力に向けられるようにする少なくとも１つの粒子偏向素子（４、２４、２５）が提供されており、
ｃ）粒子源（３，３’）とビーム・スプリッタ（８，１８）との間の領域に、粒子源（３，３’）によって放出された粒子のうちの少なくとも１つの光路（５，６，１４，１５）に位置決めされた少なくとも１つの粒子影響素子（７，９）が提供されており、そして、
ｄ）ビーム・スプリッタ（８，１８）での全ての粒子が、ビーム・スプリッタ（８，１８）の共通出力チャネル（１１，１２，１６，１７）に向けられ、前記出力チャネル（１１，１２，１６，１７）に関連する検出器（Ｄ１，Ｄ１’，Ｄ２，Ｄ２’）に衝突するように粒子影響素子（７，９）が同調されていることとを特徴とする乱数発生器。
【請求項６】
請求項５に記載の乱数発生器において、ポンピング・ソース、特にレーザによってポンピングされる光の非線形結晶（１，１’，２，２’）を含む多粒子源（３，３’）が２つの光子源であることを特徴とする乱数発生器。
【請求項７】
請求項５に記載の乱数発生器において、
多粒子源（３，３’）が絞り光源であることを特徴とする乱数発生器。
【請求項８】
請求項４から請求項７のいずれかに記載の乱数発生器において、光通路（５）に配置された粒子影響素子が干渉計（７）であることを特徴とする乱数発生器。
【請求項９】
請求項８に記載の乱数発生器において、干渉計（７）がマッハ−ツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計またはファブリ・ペロー干渉計またはエシュロンであることを特徴とする乱数発生器。
【請求項１０】
請求項８に記載の乱数発生器において、干渉計（７）が線形複屈折結晶であり、好適には、干渉計を貫通する通過する光の波長に整合されたδ／２プレートであることを特徴とする乱数発生器。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０のいずれかに記載の乱数発生器において、干渉計（７）が補償板、特にバビネ−ソレイユ補償板、または液晶セル、カーセル等といった電気的に同調可能な減速プレートを含むことを特徴とする乱数発生器。
【請求項１２】
請求項８から請求項１１のいずれかに記載の乱数発生器において、干渉計（７）の光路差が光子のコヒーレンス長さの倍掛けを超え、干渉計のアーム（２２，２３）に配分された１つの光路（５，１４）の光路長さが、他の光路（６，１５）の光路長さとほぼ同じであり、干渉計（７）の光路差が、好適には、粒子源より放射された光子の平均波長の整数倍したものであることを特徴とする乱数発生器。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のいずれかに記載の乱数発生器において、他の光路（６，１５）が電気的に制御可能な調整素子（２１）を用いて、好適には、同調可能であることが好ましい可変光学減速セクション（１０，１９）、特に光学トロンボーンを含むことを特徴とする乱数発生器。
【請求項１４】
請求項５から請求項１３のいずれかに記載の乱数発生器において、検出器（Ｄ１，Ｄ１’，Ｄ２，Ｄ２’）が、例えば、アバランシェ・ダイオードを含む単光子検出器であることを特徴とする乱数発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、量子力学ベースで乱数を発生するためのプロセスおよび乱数発生器に関し、特にそれぞれ請求項１および請求項５の前文によるプロセスを実施するためのプロセスに関する。
【０００２】
（従来の技術）
２進乱数は、メッセージを極秘で安全に交換するための多くの暗号技術の骨組みをなす。特に周知なのは、２進数メッセージ自体と長さが同じで、１度だけ使用される（「暗号帳」方式）鍵が２進数の０（ゼロ）と１とのランダム順序に配列されたものから構成されている単一安全暗号法である。スパイは、例えば、全ての可能な鍵を試し、また、何とか正しい鍵を使い、メッセージを解読するだろう。しかしながら、また、同じ長さの他の任意のメッセージも、同じ確率で正しい鍵を見つけだすことはできるかも知れないが、そう言った事実にも関わらず、より長いメッセージの場合、可能性のある鍵の数が天文学的数に上り、コンピュータの容量を超え、正しい鍵を見つけ出すことはできないであろう。
【０００３】
しかし、乱数は、また、科学技術用（モンテカルロ法）、特に、運のゲームの場合にも必要とされる。富くじおよび賭博機械に関する限り、これらの番号の数字の良否は、システムのプレーヤの信用がベースとなり、それによって、その経済的操作に必要不可欠である。必然的に、暗号法および運のゲームは、ランダムに配列された一連の数字の品質にかなりの程度依存してくる。
【０００４】
さらに信頼性の高い乱数発生器はメッセージ伝達に携わる企業にとって第一義的な課題である。
【０００５】
従来的には、乱数発生に関して基本的に２つの異なる分類の方法が使われてきた。演算方式で、始動順序（シード）の短いものを使って、ソフトウェア、またはハードウェアで実行される数学的操作を用いて、かなり長い擬似ランダム順序を生成する。そのような擬似乱数は、コンピュータを使って確定プロセスにより発生され、従って、基本的には、ランダムではない。しかし、モンテカルロ法によるシミュレーションに使用されるような多くの用途には、同じ順序で繰り返し発生することができるため、それで十分であり、好都合ですらある。しかし、演算方式をベースに実行される乱数発生器は、乱数の発生において、ある数の使用不可能な順序（弱い鍵）があり、乱数間どうしに相関関係が生じると予測されるために、暗号法の必要条件を満たすことができなくなることがある。
【０００６】
乱数を発生する第二分類の方法とは、ある特定の物理的プロセスの統計上の特徴を利用する物理的方法に関する。一般に、物理的方法は、以下のようにさらに細分することができる。
【０００７】
−  確定運動方程式に従うものの、非常に複雑であり、初期状態に対する知識がないため、予測不可能な統計的プロセス。これをベースにした乱数発生器には、コインの「表」または「裏」で占うことおよび富くじの機械が含まれる。そのような方法は、ランダムとみなされる確定的な混乱を生み出す。それぞれ個々の乱数が発生される時、発生器の始動状態は常に若干変化し、その誤差は定量化できない。
【０００８】
−  基本的に量子力学によって説明される種類のランダム・プロセス（初期プロセス）。現在の科学の進歩により、そのようなプロセスは、仮想確定メカニズム（隠れ変数）によるものとすることはできず、従って、本来、基本的にはランダムである。
【０００９】
物理的プロセス、特に基本的にランダムな量子プロセスにより生成されたビット順序は、演算方式で生成された順序よりも、ランダム順序の概念の方により近くなる。
【００１０】
放射線の崩壊は、生成された粒子の高エネルギーにより簡単に検出でき、乱数発生において提案されてきたランダム初期現象である。（Ｍ．Ｇｕｄｅ：ランダム物理減少をベースにした準理想一様分布発生器）。しかし、この点に関する欠点は、放射線が人間および感応電子機器に与える潜在的に有害な影響にある。
【００１１】
他の物理的乱数発生器は、ランダム・ビット順序を生成するために、抵抗器またはダイオードの電磁ノイズといった物理的ノイズ源を利用する。（例えば、Ｍ．Ｒｉｃｈｔｅｒ：確率的シミュレーション用の準理想乱数発生のためのノイズ発生器）。しかし、そのような方法は、ビット値１とビット値０との間に意志決定しきい値を、正確に、そして時間が経過しても不変であるように設定することは難しい。さらに、そのような乱数発生器は、例えば、電磁波の放射線といった任意の「ノイズ」が、量子ノイズに重畳されるという点で、外部から操作を常に受ける状態にある。そのような外来の擬似ノイズから量子ノイズを分離させることは簡単でないため、そのような方法は、危険であるとみなされる。
【００１２】
注意深く量子力学調査を行った際の最初のランダム・プロセスは、ビーム・スプリッタにおいて光の個々の量子（光子）の光路選択である。それが、ビーム・スプリッタをヒットした後、光子がどの出力チャネルを通過するかは基本的にランダムである。ランダム順序を生成するため、光の量子は、例えば、半伝送ミラーに反射され、または伝送され、各々それぞれが量子を記録する検出器と関連づけられ、その表示は検出器によってランダム順序のビット値０または１を示す。光学ベースで乱数を発生するためのプロセスと、ランダム・コードのバグ防止伝送のためのプロセスについては、例えば、Ｊ．Ｇ．Ｒａｒｉｔｙ他の、「量子乱数発生および鍵の共用」、Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔ．４１，２４３５ページ（１９９４）に説明されている。
【００１３】
しかし、光ビーム・スプリッタにおける個々の光子統計に基づくランダム順序の生成のためのそれらのプロセスに関する問題点は、例えば、宇宙放射線、または他の外来の電磁影響から発生する検出器の干渉パルス、および個々の光子に対する検出器の応答確率の低さが含まれる。
【００１４】
これまで、均一の時間間隔をおいて個々の光子を発生する光源がなかった。全ての従来の光源はランダムな時間順序で、光子を発生し、その結果、光学乱数発生器のビーム・スプリッタに光子がいつヒットするかが予測できなかった。これが、検出器のノイズと合わせて、干渉パルスとつながり、ランダム順序の形成に組み込まれる。外来の影響からの干渉を減らすために、一つの光子対のうちの２つの光子が常にほぼ同時に発生される２つの光子源を光源として用いることが、ＤＥ１９６  ４１  ７５４．６から周知である。２つの光子が空間的に分離され、その光子のうちの１つがトリガ検出器をヒットし、他の光子が光学乱数発生器のビーム・スプリッタをヒットする。トリガが応答するだけで、乱数発生器の検出器の応答が記録される。必然的に、検出器の暗電流からの背景は縮小され、ビーム・スプリッタにおける乱数発生メカニズムに寄与する事象のみが、ランダム順に含まれるという確率は高くなる。
【００１５】
しかし、基本的に、個々の光子の検出能力に不適切であるといった問題点がまだ残る。周知の光学乱数発生器の欠点は、ビーム・スプリッタの出力時、個々の光子の数を計数するために使用される検出器の量子効率が比較的低いという点である。最良の場合で、シリコン検出器の量子効率γは、約７００ｎｍで、γ＝０．７であるが、この値は、当該の赤外線領域に、ぴったり当てはまる。電気通信の第二および第三光ウィンドウの検出器は、しばしば、量子効率が、わずか０．１〜０．２であり、すなわち、検出器をヒットする光子は、わずか１／５〜１／１０が検出器に応答させ、出力信号を発生させ、それによって、ランダム順序のビット値を生成する。ＤＥ１９６  ４１  ７５４．６による乱数発生器に結合されたトリガ検出器の場合、検出器の応答確率は、特にランダム順序が生成される計数率または速度に関して重大な影響を及ぼす。何故ならば、同時に応答しなくてはならない２つの異なる検出器の量子効率は、γ2に比例し、計数率は、トリガなしの場合よりもかなり低くなるからである。
【００１６】
ＤＥ１９８  ０６  １７８．１において、検出の確率を上げるには、単光子の代わりに、より高い光子レートを使用するように、例えば、レーザ・ダイオードで発生されたｎ個の光子の光子シャワーを採用するように提案されてきた。この点に関する問題点は、ビーム・スプリッタをヒットする光子シャワーの全ての光子が、共通検出器に入っていなくてはならず、それによりその後高い確率で応答するようになるという点である。全ての光子が共通検出器に入る確率は、２つの光子の場合１／２であり、その結果、わずか２つの光子シャワーの場合、すでに半分のケースで、使用可能な計数事象がないわけである。（ランダム順序のビット値０または１）。
【００１７】
（技術的問題）
従って、本発明の目的は、検出器の応答確率が高くなり、粒子源によって放射されるできる限り多くの粒子が、検出器の１つに利用可能な計数事象となるような、すなわち、計数事象の確率が高くなり、従ってランダム順序の高速で信頼性の高い構築が可能となるような、量子力学ベースで乱数を発生するためのプロセスおよび乱数発生器を提供することである。
【００１８】
（発明の開示）
本発明の目的は、それぞれ請求項１および請求項５によるプロセスおよびデバイスにより達成される。それを用いることにより、ビーム・スプリッタの出力チャネルにおける多粒子状態の生成を通し、よって、検出器に衝突する複数の粒子を介して、ソースによって生成された各多粒子状態ごとの利用可能な計数事象の確率を著しく増大させる。何故なら、ある特定のタイム・ウィンドウ内で、ｎ個の光子が、単粒子の場合、応答確率をγとして、検出器をヒットするとした場合、ｎ個の粒子の応答確率Ｐnは以下のようになる。
【００１９】
（１）                  Ｐn＝１−（１−γ）n
【００２０】
量子対を使う場合、個々の検出器の応答確率は、γから（１−（１−γ）2）へと改善される。従って、ｎ＝２、γ＝０．７の場合、検出器は、９０％を超える確率で応答する。粒子源が、２量子を超える数の状態で利用可能な場合、応答確率は、方程式（１）によって、さらに改善させることができる。さらに多粒子源およびビーム・スプリッタを用いて、本発明は、１つの計数確率を達成する。すなわち、ソースからの各粒子対は、１つの検出器にのみ渡され、いずれも粒子対が、ビーム・スプリッタで分割されることはない。これについては、以下にさらに詳細に説明する。
【００２１】
本発明の開始点は、ビーム・スプリッタにおいて、個々の粒子の量子統計をベースにして、乱数を発生することである。本発明によれば、最初に、少なくとも２つの量子力学的に相関する粒子を持つ多粒子状態が生成され、個々の粒子が少なくとも部分的に異なる空間方法に放出され、それ故、異なる光路を横行する。
【００２２】
粒子は、好適には、例えば、光順落遷移、またはパラメトリック蛍光から発生する光子であることが好ましい。また、光子対の源である粒子源、特にレーザのようなポンピング源と結合した非線形光学結晶を採用することも好都合である。パラメトリック変換を通して、１つのポンピングされた光子が、ある確率で、相関エネルギー、分極、および定義された空間発光分布を備えた量子力学的に架橋状態で、２つの蛍光光子が発生される。パラメトリック蛍光は、この場合、１つの光子対の光子を空間発光分布により簡単に光路に注入させることができるため、特に適している。同様に、既存の背景の放射、特にポンピング光は、空間シャッターまたはマスク、スペクトル・フィルタおよび偏光子により大幅に抑えることができる。
【００２３】
絞り光源にとって、粒子源として使うことも可能である。それにより発生された光子は、同様に対で相互に相関関係を持つ。
【００２４】
光子の代わりに、原子または他の量子の粒子を用いることもできる。光光学との類推により、「光学」素子はまた、ビーム・スプリッタ、偏光子、ミラー、検出器等の特性を有する素子である原子としても周知である。
【００２５】
量子力学的に架橋状態にある粒子の特別な量子力学の特徴とは、波動振幅のように粒子として相互に干渉し合う能力である。総体的強度が常に正であるけれども、２つの光子または他の量子の強度が０を形成するよう、すなわち、相互に干渉し合って引き離されるように追加されるようになっている。エネルギー保存のために、そのような反相関関係により、他の場所で対に関しては光子の発生が引き起こされる。この特徴は、本発明により利用され、２つのパートナーがビーム・スプリッタにおいて同一線上にない粒子対を常に２つの出力のうちの１つで対としてビーム・スプリッタから離れるようにさせる。
【００２６】
従って、多粒子状態、特に光子対の発生後、ＤＥ１９６  ４１  ７５４．６に開示されたプロセスとは対照的に粒子の１つもトリガ・チャネルに注入されず、検出されないのが、両方のまたは全ての粒子がビーム・スプリッタのほぼ異なる入力チャネルに注入され、ビーム・スプリッタで干渉が引き起こされる。この目的のために、ミラー、プリズム、レンズ等といった粒子偏向素子が提供される。これらは、１つまたは全ての光路の中に配置される。乱数発生器のそれぞれの光路は、好適には、粒子が、確実にビーム・スプリッタで相互に干渉し合うことができるように、ぼぼ同一の光長さであることが好ましい。長さを厳密に整合させるために、電気的に制御可能な調整素子を提供することができる。同様に、光路の１つは、好適には、例えば、光学トロンボーンといった可変減速セクションが提供されていることが好ましい。
【００２７】
さらに、光路内に同調され、位置決めされている少なくとも１つの粒子影響素子が提供されている。前記素子を同調することで、本発明により確実に、ビーム・スプリッタでの全ての粒子が、ビーム・スプリッタの共通出力チャネルの中に向けられ、従って、その出力チャネルに関連する検出器に衝突させることができる。検出器の応答確率は、少なくとも２つの検出器のほぼ同時衝突により高くなる。
【００２８】
検出器は、粒子源により放出された粒子と整合される。光学ベースによる乱数発生器の場合、検出器は、例えば、赤外線検出器といった波長に整合された光検出器である。特に、この場合、単光子検出器、特に、アバランシェ・ダイオードが有利である。
【００２９】
好適には、粒子影響素子が同調されていることが好ましい。
【００３０】
ビーム・スプリッタの出力どうしの間で、またはその出力に関連する検出器どうしの間で一致が測定され、最小限に抑えられる。何故ならば、光路に粒子のほぼ同一の走行時間が与えられているとすれば、一致の消失により、粒子が共通出力を介してビーム・スプリッタから離れることを意味するからである。
【００３１】
しかし、光路内に位置決めされた素子のどの設定が、一致の最少化をもたらすのかを計算し、その設定が、それに応じて選択されるようにすることもできる。後者の場合、ある条件下で、一致を実際に最小限に抑えるようにするため、ただ装置を調整するだけが必要な場合もある。
【００３２】
好適には、粒子影響素子は干渉計であり、特にマッハ−ツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計またはファブリ・ペロー干渉計、またはエシュロンである。この干渉計は、また線形複屈折結晶で、好適には、干渉計を貫通して通過する光の波長に整合されたλ／２プレートであることが好ましい。光路差を拡げるために、干渉計は、後者の場合、補償板、特にバビネ−ソレイユ補償板、または液晶セル、カーセル等といった電気的に制御可能な減速プレートを含む。
【００３３】
本発明の有利な実施形態において、干渉計の光路差は光子のコヒーレンス長さの倍掛けを上回る。これにより、干渉計を通過する粒子がそれ自体と干渉し合わないよう防止する。本発明のこの実施形態において、１つの光路の光路長さは、干渉計のアーム上に分配され、ほぼ光路長さとほぼ同一であり、干渉計の光路長さは、好適には、粒子源により放出される光子の平均波長の整数倍したものであることが好ましい。この場合、ビーム・スプリッタの出力どうしの間の一致の確率が理論的に０であり、その結果、実際には、全ての光子対の大部分が一対として空間的にビーム・スプリッタから離れ、これにより、それぞれの検出器の応答確率が高まるということとなる。
【００３４】
同様に、素子の正しい同調が行われているとすれば、粒子対のどれもビーム・スプリッタで分割されることはない。これにより、一対の光子が両方の検出器を応答させず、それ故、明白なビット値０または１に対応しない計数事象が生成されるのを防ぐ。両方の検出器のそれでも発生する応答を抑え、乱数発生のための応答を棄却するために、好適には、他の検出器が、定義されたタイム・ウィンドウ内で粒子を記録しなければ、検出器の計数事象を評価するだけの逆同時回路があることを条件とすることが好ましい。
【００３５】
多粒子数状態の源が利用可能な場合、個々の状態は今度は、ビーム・スプリッタの２つの入力に分割され、ドロップされる。粒子干渉の結果、光子は全て、１つの出力でビーム・スプリッタから離れ、２つの粒子の場合と同様に検出される。より多くの光子が、１つのアーム内でビーム・スプリッタから離れ、同時に検出されればされる程、（１）による検出器の計数効率がより高くなる。
【００３６】
図１Ａ、図１Ｂは、パラメトリック蛍光による量子力学的に相関する光子対の発生の概略図である。このために、タイプＩの非線形結晶１、またはタイプIIの結晶１’が、波長λPと強い強度のレーザ光線でポンピングされる。結晶は、いわゆる位相整合条件が満たされるように励起ビームに対してカットされ方向づけされる。結晶には、ポンピングされた光子がある確率で、波長λ1とλ2の２つの蛍光光子に分割され、エネルギの保存のために、λP＝λ1＋λ2となる。λ1（および、従ってλ2）の両方は、また、２つの蛍光光子Ｐ1，Ｐ2の分極が配列の幾何学により定義される。図１ＡのタイプＩの非線形結晶の場合、ポンピングされた光子は、励起幾何学、すなわち、結晶の光学軸に対してポンピング・ビームの方向づけに依存する空間方向に放出される平行線形分極Ｐ1およびＰ2の２つの蛍光光子に分裂する。図１ＢのタイプIIの非線形結晶の場合、相互に直角に分極された２つの光子が適宜発生される。ある幾何学において、２つの光子が同方向に（同一線上に）向けられる。
【００３７】
（発明を実施するための方法）
図２は、本発明による乱数発生器の概略図である。乱数発生器は、量子光学的に相関する光子対に対する粒子源３を含む。
【００３８】
前記光源は、強い強度と適切な周波数を持つレーザ光線によりポンピングされた、適切にカットされ、方向づけられた光非線形結晶２である。ポンピングされた光子のパラメトリック変換により、結果的に結晶２からポンピング光線の伝搬方向に対して異なる方向に離れる２つの蛍光光線となる。各々の場合、１つの光線のうちの１つの光子が他の光線の他の光子と量子力学的に架橋状態にある。
【００３９】
光子源３から離れる蛍光光子は、乱数発生器の２つの光路５、６に光線として注入される。ポンピング・ライトは、スペクトル・フィルタ（図示せず）によって、またはシャッターまたはマスクによって光路から遮断される。光路５、６は、粒子偏向素子を用いて、この場合はレンズ４を用いて、ビーム・スプリッタ８に収斂される。ビーム・スプリッタは、好適には、ビーム・スプリッタの出力１１、１２の選択を同じ確率で、よってビット値１と０を同じ確率で達成するために、分割比率は１：１であることが好ましい。ビーム・スプリッタの出力または入力時に配置されるのが、コンピュータ制御によって回転可能な、λ／２減速プレート、または分割比率の許容差誘導偏差を修正することができる電子光学減速素子である。
【００４０】
粒子影響素子９が光路５に配置される。図示される場合のように、前記粒子影響素子９は、タイプIIの幾何学の場合、光子対の２つのパートナーが同じ極性を持つようにするためのλ／２プレート、または他の極性調整素子ＰＳである。
【００４１】
他の光路６に配置されているのは、可変減速セクション１０で、この場合、光学トロンボーンＰＺである。これにより、２つの光線間で走行時間に関し可変時間差を挿入することができる。２つの光線５、６がビーム・スプリッタ８をヒットし、その後乱数発生器の２つの検出器Ｄ1とＤ2をヒットする。ビーム・スプリッタの各出力１１、１２は検出器Ｄ1およびＤ2とそれぞれ明白に関連づけられる。検出器Ｄ1は、ランダム順序のビット値０を表し、検出器Ｄ2はランダム順序のビット値１を表す。
【００４２】
いずれかの光子が反射されているか、または両方ともビーム・スプリッタで伝送されているのであれ、その可能性が見分けがつかない一方、同じ出力１１または１２で、一対としてビーム・スプリッタを常に離れるように、そしていずれかが検出器Ｄ1をヒットするか、または両方が検出器Ｄ2をヒットするように、２つの光子が干渉し合う。これは、単に、トロンボーン１０を適切に同調させる必要があり、これは、簡単に、検出器Ｄ1およびＤ2の一致回路において達成することができる。もし、同調されていれば、一致はなくなる。
【００４３】
通例の光学乱数発生器の場合と同じく、検出器Ｄ1は、「０」と関連し、Ｄ2は「１」と関連する。本発明によれば、常に検出器をヒットする２つの光子があり、その効率は、（１）により改善される。さらに、光子対の光子が分割されて、Ｄ1とＤ2の両方を応答させる場合はない。これにより、発生された光子対の各々が理論的にランダム順序の１ビットを定義することができるため、計数確率および速度を高め、ランダム順序が打つ建てられる。ビットの発生に対しておそらくまだ発生するＤ1とＤ2の同時応答を抑えるために、検出器Ｄ1およびＤ2は、好適には、逆同時回路を備えることが好ましい。
【００４４】
図３は、他の光学乱数発生器を示す。量子光学的に相関する光子対の粒子源３’は、図２に示すように設計され、レーザでポンピングされる光学的に非線形結晶２’を含む。ポンピング・ライトは、フィルタ１３により抑圧される。前記フィルタは、好適には、ポンピング波長に不伝導性ではあるが、蛍光波長λ1およびλ2の蛍光ライトを伝送させる光学帯域フィルタであることが好ましい。光源３’の出力に配置されているのが、また、ある確率で、配列内に一度に１つの光子対だけとなるように、蛍光ライトの強度を低下させるフィルタである。
【００４５】
量子力学的に相関する蛍光光子は、乱数発生器の光路１４および１５に各々注入される。１つまたはそれ以上のミラー２４、２５を介して偏向を用い、光路１４、１５が、ビーム・スプリッタ１８に収斂されられる。ビーム・スプリッタ１８を用いて、光路１４、１５の両方が重畳され、２つの異なる出力チャネンル１６、１７へ再度向けられる。
【００４６】
本発明のこの実施形態において、光路１４の１つに配置されているのは、干渉計７であり、これは、この場合干渉計のアーム２２および２３を持つマッハ−ツェンダー干渉計である。干渉計のアーム２２は、光長さδ１Pであり、それは電気的に制御可能な調整素子２０を用いて同調される。干渉計のアーム２３は固定長δ１Sである。
【００４７】
他の光路１５に配置されているのは、光減速セクション１９であり、この場合光学トロンボーンである。減速セクション１９の光長さδ１は、他の調整素子２１を用いて可変である。調整素子２０と同じく、前記調整素子２１は、好適には、電気的に制御可能であって、これにより遠隔操作、例えば、コンピュータ制御で減速セクション１９の長さδ１を変えることができることが好ましい。
【００４８】
好適には、光学減速セクション１９の干渉計のアーム２２、２３の長さを考慮せずに光路１４、１５の光長さが同じであることが好ましい。タイプＩの非線形結晶で発生された同一の極性を持つ光子対の場合、出力１６、１７間の一致についての計数率は、次のように表すことができる。
【００４９】
【数１】
0004251522.tif 000002
但し、δ１F、δ１S、δ１は、それぞれ干渉計のアーム２２、２３および減速セクション１９内の光路である。ｃは光の速度で、ａは２つの光線のスペクトルのスペクトル幅を決定する。ガウスの分布図
【数２】
0004251522.tif 000003
で平均周波数がω0、両光線の場合ともω1＋ω2＝２ω0と想定する。
【００５０】
以下のように、２つの光子１／ａのスペクトル幅はとても大きいので、干渉計の光路差、δ１F−δ１Sは、光子の倍掛けのコヒーレンス長さｃ・ａを上回る。さらに光路長さδ１F，δ１Sおよびδ１は、δ１＝１／２（δ１F＋δ１S）を適用して、相互に整合されると想定される。
【００５１】
これは、もちろん、光減速セクション１９を含む光路の光長さの全長が、干渉計のアーム２２、２３の長さを含む光路長さ１４の平均の光長さと一致する場合と同じである。
【００５２】
従って、乱数発生器は、好適には、干渉計７の光路差（δ１F−δ１S）が光子の倍掛けのコヒーレンス長さｃ・ａを上回り、干渉計のアーム２２、２３に分配された光路１４の光路長さが、減速セクション１９を含む他の光路１５の光路長さとほぼ一致するように、同調されることが好ましい。干渉計が、線形複屈折結晶により、実現されるならば、好適には、光路差を拡大する補償板、特にバビネ−ソレイユ補償板、または液晶セル、カーセル等といった電気的に同調可能な減速プレートを含むことが好ましい。
【００５３】
この場合、δ１＝１／２（δ１F＋δ１S）で、ｃ・ａ＜＜｜δ１F−δ１S｜、一致レートＫは、以下のように変わる。
【００５４】
【数３】
0004251522.tif 000004
【数４】
0004251522.tif 000005
の場合、すなわち、
【数５】
0004251522.tif 000006
但し、ｎ＝０，１、．．．で、Ｋ＝０とする。
【００５５】
これは、両方の光子が出力１６，１７のうちの１つで一対としてビーム・スプリッタから一緒に離れ、そして一緒にその内に配置された検出器Ｄ1’またはＤ2’に応答させるようにすることを意味する。しかし、この点に関して、どの出力をとるか完全に不確実である。光路に位置決めされた光素子が、上記方程式に従って、Ｋ＝０として、設定されているという点で、ランダム順序を生成するために、この初期プロセスが、本発明によって利用される。
【００５６】
この場合、検出器Ｄ1’およびＤ2’は、好適には、評価エレクトロニクスの一部である一致回路および逆同時回路により相互に接続されていることが好ましく、上記一致回路は、乱数発生器を同調するために、そして上記逆同時回路は、エラーの発生を抑えるために作動する（両方の検出器に応答する）。
【００５７】
検出器Ｄ1’およびＤ2’からの出力信号は、評価エレクトロニクス（図示せず）に提供され、これもまた、データ処理システムの一部でもある。
【００５８】
（産業上の利用可能性）
本発明は、信頼性の高い乱数を発生する必要がある工業的にあらゆる分野に適用することができるが、特に暗号法を改善するため電気通信分野において適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）はタイプＩの非線形結晶上でパラメトリック蛍光による光子対の発生を示す。
（Ｂ）はタイプIIの非線形結晶上でパラメトリック蛍光による光子対の発生を示す。
【図２】  本発明による乱数発生器の概略図である。
【図３】  他の乱数発生器である。
【符号の説明】
１，１’，２，２’  非線形結晶
３，３’  光源
４  レンズ
５，６，１４，１５  光路
７，９  粒子影響素子：干渉計または極性調整素子
８，１８  ビーム・スプリッタ
１０，１９  光減速セクション（光学トロンボーン）
１１，１２，１６，１７  出力チャネル（ビーム・スプリッタ）
１３  フィルタ
２０，２１  調整素子
２２，２３  干渉計のアーム
２４，２５ミラー
Ｄ1，Ｄ1’，Ｄ2，Ｄ2’  検出器
【図１】
0004251522.tif 000007
【図２】
0004251522.tif 000008
【図３】
0004251522.tif 000009