JP 2022-82405 A 2022.6.1(57)【要約】（修正有）【課題】ビット「０」及びビット「１」についての異なる所定の出現確率を有するようにバイアスされたランダ
ムビットストリームを生成するためのシステム及び方法
並びに量子通信システム及び方法を提供する。
【解決手段】システムは、真のランダムビットストリー
ムを出力する真の乱数発生器ユニット１０１と、少なく
とも２の整数であるｎビットのワードを備えた擬似ランダムビットストリームを出力する擬似乱数発生器ユニッ
ト１０２と、処理されたｎビットのワードを出力するために、真の乱数発生器ユニットからのビットを、擬似乱数発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせる組合せユニット１０５と、ビット「０」値及びビット「１」値の出現確率を所定の出現確率になるように制御する関数を使用して、処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成する出力ユニット１０７と、を備える。
【選択図】図２

(2)JP 2022-82405 A 2022.6.1【特許請求の範囲】【請求項１】
バイアスされたランダムビットストリームを生成するためのシステムであって、前記バ
イアスされたビットストリームは、ビット「０」及びビット「１」についての異なる所定の出現確率を有し、前記システムは、真のランダムビットストリームを出力するように構成された真の乱数発生器ユニットと、擬似ランダムビットストリームを出力するように構成された擬似乱数発生器ユニットと、前記擬似ランダムビットストリームは、ｎビットのワードを備え、ｎは、少なくとも２の整数であり、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発生器ユニットからのビットを、前記擬似乱数発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせるように構成された組合せユニットと、関数を使用して、前記処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成するように構成された出力ユニットと、を備え、前記関数は、前記所定の出現確率になるように、前記ビット「０」値及びビット「１」値の前記出現確率を制御するために選択される、システム。
【請求項２】
前記組合せユニットは、前記ｎビットのワードの各ビットを、前記真の乱数発生器ユニットからの同じビットと排他的ＯＲするように構成された排他的ＯＲゲートを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記出力ユニットは、前記ワードを表すワード値を出力することと、前記ワード値を閾値と比較することと、を行うように構成されたプロセッサを備え、前記プロセッサは、前記閾値より上のワード値に第１のビット値を割り振り、前記閾値より下のワード値に第２のビット値を割り振るようにさらに構成されており、前記第１のビット値はビット「１」及びビット「０」から選択され、前記第２のビット値はビット「１」及びビット「０」のうちの他方であり、前記閾値及び前記ｎの値は前記所定の出現確率になるように、ビット「０」値及びビット「１」値の前記出現確率を制御するために選択されている、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記出力ユニットは、ルックアップテーブルを使用することによって、前記ワードを表
すワード値を出力するように構成されたプロセッサを備える、請求項１乃至３のいずれか
１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記出力ユニットは、ｎビットのワードについての単一のビット値を作り出すために、
前記ワードの前記ビット値を論理的に組み合わせるように構成された複数の論理ユニット
を備え、ｎは、前記所定の出現確率になるように、ビット「０」値及びビット「１」値の前記出現確率を制御するために選択される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の論理ユニットは、前記ｎビットのワード内の前記ビット値を組み合わせるように構成された複数のＡＮＤゲートを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
複数の並列のランダムビットストリームを出力するように構成され、前記真の乱数発生器ユニットは、複数の並列の真のランダムビットストリームを出力するように構成され、前記組合せユニットは、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発
生器ユニットの前記ビットストリームのうちの１つからのビットを、前記擬似乱数発生器
ユニットからのｎビットのワードと組み合わせるように構成され、前記出力ユニットは、並列の出力ビットストリームを作り出すために、各処理されたｎビットのワードから出力

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ビット値を生成するように構成されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記擬似乱数発生器ユニットは、複数の並列の擬似ランダムビットストリームを出力するように構成され、各前記擬似ランダムビットストリームは、ｎビットのワードを備え、
前記擬似乱数発生器ユニットは、ｎが前記並列のランダムビットストリームの各々について独立に設定されることを可能にするように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記組合せユニットは、処理されたワードの複数の並列ビットストリームを作り出すために、複数の前記擬似ランダムビットストリームの各ビットストリームが、前記真の乱数
発生器ユニットによって作り出された前記複数の並列の真のランダムビットストリームからのビットストリームと組み合わされるように構成されており、前記出力ユニットは、前記処理されたワードの並列ビットストリームから出力ビット値を生成するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
複数の前記真のランダムビットストリームからの少なくとも１ビットが、前記真の乱数発生器から直接作り出された２つのビットストリームをＸＯＲすることによって作り出される、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記真の乱数発生器ユニットは、量子乱数発生器を備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記量子乱数発生器は、利得切替ダイオードレーザを備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記擬似乱数発生器ユニットは、乱数を生成するように適合されたアルゴリズムを実行するプロセッサを備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記組合せユニットは、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣを備える、請求項１乃至１３のいずれか
１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記出力ユニットは、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記擬似乱数発生器ユニットは、乱数のビットストリームをそれぞれ出力する複数の擬
似乱数発生器を備え得る、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
量子通信システムのための送信ユニットであって、前記送信ユニットは、
受信ユニットに送信するための複数の量子ビットを生成するように構成された量子ビッ
ト源と、
前記量子ビットの一部の強度を変調するように配置された強度変調器と、
前記量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器と、を備え、前記強度変調器及び前記位相変調器は、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のシステムから、バイアスされた出力文字列を受信するように構成される、送信ユニット。
【請求項１８】
量子通信システムのための受信ユニットであって、前記受信ユニットは、受信された量子ビットを検出するための少なくとも１つの検出器と、測定のために、前記受信された量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位
相変調器と、
を備え、

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前記位相変調器は、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のシステムから、バイアスされた出力文字列を受信するように構成される、受信ユニット。
【請求項１９】量子通信システムであって、受信ユニットに送信するための複数の量子ビットを生成するように構成された量子ビ
ット源と、
前記量子ビットの一部の強度を変調するように配置された強度変調器と、
前記量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器と、を備える送信ユニットと、受信された量子ビットを検出するための少なくとも１つの検出器と、測定のために、前記受信された量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器と、を備える受信ユニットと、を備え、前記送信ユニットにおける前記強度変調器及び前記位相変調器のうちの少なくとも１つ、並びに、前記受信ユニットにおける前記位相変調器は、請求項１乃至１６のいずれか１
項に記載のシステムから、バイアスされた出力文字列を受信するように構成される、量子通信システム。
【請求項２０】
バイアスされたランダムビットストリームを生成するための方法であって、前記バイア
スされたビットストリームは、ビット「０」及びビット「１」についての異なる所定の出現確率を有し、前記方法は、
真のランダムビットストリームを出力するように構成された真の乱数発生器ユニットを使用することと、
擬似ランダムビットストリームを生成することと、前記擬似ランダムビットストリーム
は、ｎビットのワードを備え、ｎは少なくとも２の整数であり、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発生器ユニットからのビットを、擬似乱数発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせることと、関数を使用して、前記処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成することと、を備え前記関数は、前記所定の出現確率になるように、ビット「０」値及びビット「１」値の前記出現確率を制御するために選択される、方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本明細書で説明される実施形態は、一般に、バイアスされたランダムビットストリームを生成するためのシステム及び方法並びに量子通信システム及び方法に関する。
【背景技術】【０００２】
モデル化、シミュレーション及び暗号作成ツールは、多くの場合、ランダムな値又はビットの文字列を必要とする。例えば、ランダムビットの文字列は、多くの場合、データ暗号鍵を生成すること、ランダムプロセスをシミュレートすること、複雑な自然現象をモデル化することに必要とされる。これらのランダムビットの文字列は、全ての出力値が同じ出現の機会を得ている（例えば、各出力ビットが「１」又は「０」である等しい機会が存在する）という意味で、バイアスがないこと、又は、出力値が同じ出現の機会を得ていない（例えば、平均で「０」の２倍の「１」が存在することになる）という意味で、バイアスがあることが必要な場合がある。したがって、実施形態の実装の１つの特定の例が、ラン ダ ム な 値 の 文 字 列 （ random strings of values） の 処 理 で あ り 得 る 。
【０００３】

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コンピュータは、決定論的システムであるので、ランダムな値又はビットの文字列を作り出すことには本質的に適さない。それを行うための２つの主なアプローチがあり、すな
わち、擬似乱数発生器（ＰＲＮＧ）及び真の乱数発生器（ＴＲＮＧ）である。
【０００４】ＴＲＮＧは、物理現象からそれらの「ランダム性」を導出する。一般に、ＴＲＮＧは、測定値から導出されるランダムな値又はビットの文字列を作り出すために、ランダムな自然発生からの測定値を使用することによって、これを行う。測定される現象の例は、大気雑音、放射性崩壊及び半透鏡を通る光子の透過を含む。出力は、本質的にランダムである
自然の過程によって決定されるので、出力は真にランダムである。
【０００５】
ＰＲＮＧは、ある程度はランダムに見え得る値又はビットの文字列を作成する、コンピュータ実装されるアルゴリズム、数式又はその他の方法である。一見ランダムな値の文字
列 を 出 力 す る Ｐ Ｒ Ｎ Ｇ ア ル ゴ リ ズ ム の 例 は 、 線 形 合 同 法 （ linear congruential generators） 、 ラ グ 付 き フ ィ ボ ナ ッ チ 法 （ lagged Fibonacci generators） 、 線 形 帰 還 シ フ ト レ ジ
ス タ 及 び 計 算 難 度 の 仮 定 （ computational hardness assumptions） に 基 づ く ア ル ゴ リ ズ ム
を含む。
【０００６】
ＰＲＮＧ（コンピュータ実装されるアルゴリズムであることが多い）は、一般に、より効率的であり、ＴＲＮＧよりも高いビットレートを有し得、したがって、多くの場合、値又はビットの大きな文字列が必要とされる多くのアプリケーションにおいて使用される。
しかしながら、そのようなＰＲＮＧはランダムに見える出力を作り出し得るが、全てのＰ
ＲＮＧは、まさにそれらの定義によって、真にランダムではない。
【０００７】
バイアスされたランダムビットの文字列は、いくつかの暗号化技法、例えば、量子鍵配
送 （ Ｑ Ｋ Ｄ ： Quantum Key Distribution） で 使 用 さ れ る 。 Ｑ Ｋ Ｄ は 、 量 子 ビ ッ ト 、 す な わ
ちキュービットを使用した安全な方法で、２つの当事者がランダムな秘密鍵又は暗号を作成及び共有することを可能にする。ＱＫＤは、理論上、鍵の送信者（しばしば「アリス」と呼ばれる）及び受信者（しばしば「ボブ」と呼ばれる）が、盗聴者（しばしば「イブ」と呼ばれる）が通信を傍受し、鍵の安全性が損なわれているかどうかに気付くことを可能にする。これは、キュービットが、測定された特性に影響を及ぼすことなしには、測定され得ないという事実に依拠する。したがって、イブの干渉に起因する受信されたキュービ
ットのいかなるそのような変化も、アリス及びボブによって検出され得る。
【図面の簡単な説明】【０００８】【図１】図１は、一実施形態に係るシステムの概略図である。
【図２】図２は、複数の出力ビットストリームを有する、一実施形態に係るシステムの概略図である。
【図３】図３は、１つの出力ストリームがバイアスのない出力ストリームである状態で複数の出力ビットストリームを有する、一実施形態に係るシステムの概略図である。
【図４】図４は、複数の出力ビットストリームを有する、一実施形態に係るシステムの概略図であり、ここで、出力ビットは、論理ＡＮＤ演算を使用して作り出される。
【図５】図５は、一実施形態に係る方法のための同期表である。
【図６】図６は、一実施形態に係る量子通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】【０００９】
一実施形態では、バイアスされたランダムビットストリームを生成するためのシステムが提供され、前記バイアスされたビットストリームは、ビット「０」及びビット「１」についての異なる所定の出現確率を有し、前記システムは、下記を備える。
真のランダムビットストリームを出力するように構成された真の乱数発生器ユニット
と、

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擬似ランダムビットストリームを出力するように構成された擬似乱数発生器ユニットと、前記擬似ランダムビットストリームは、ｎビットのワードを備え、ここで、ｎは、少なくとも２の整数であり、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発生器ユニットからのビットを、前記擬似乱数発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせるように構成された組合せユニットと、関数を使用して、前記処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成するように構成された出力ユニット、ここにおいて、前記関数は、所定の出現確率になるように、
ビット「０」値及びビット「１」値の出現確率を制御するために選択される。
【００１０】
上記システムは、バイアスされたランダムビットの文字列を生成するために使用され得る。システムの一応用例としては、量子通信が挙げられる。ランダム変数のバイアスされた文字列についてのさらなる可能な応用例は、まれな出来事（例えば、砂漠での雨）をモ
デル化すること、コンピュータ上でカードゲームをシミュレーションすること、及びラン
ダムウォーク型の問題（例えば、量子散乱）をモデル化することを含む。このようなシミュ レ ー シ ョ ン は 、 リ ア ル タ イ ム で 行 わ れ 得 る 。 こ れ ら の 例 は 、 暗 号 、 予 報 （ forecasting）、ゲーミング及びリサーチの分野における他の用途と共に、下記のプロパティを備えた
値又はビットの文字列を必要とする。
（ ａ ） ビ ッ ト の 文 字 列 は 、 一 定 の 評 価 可 能 な ラ ン ダ ム 性 の 品 質 （ a certain assessable
quality of randomness） を 満 た さ な け れ ば な ら な い 。
（ ｂ ） ビ ッ ト の 文 字 列 は 、 Ｔ Ｒ Ｎ Ｇ に よ っ て 生 成 さ れ る 匹 敵 す る （ comparable） （ 例 えば、同じ値／ビットレート及びバイアスの）値又はビットの文字列と統計的に区別できな
いものでなければならない。
（ｃ）出力におけるこれらビットの出現頻度（すなわち、バイアス）は、ユーザによって選択されたものに近似しなければならない。
【００１１】
本明細書で説明される実施形態は、要件（ａ）〜（ｃ）を満たすように試みる。
【００１２】
一実施形態では、下記を備える、デジタルランダムビットストリームを生成するためのシステムが提供され、前記ストリームは、特定のビット値を持つビットの所定の割合を特徴とする。
真にランダムなｗビットのワードストリームを生成するために、物理プロセスサンプリ
ングする１つ以上のＴＲＮＧユニットと、
擬似ランダムなｎビットのワードストリームを生成するために、順序論理を実装する１
つ以上のＰＲＮＧユニットと、
デジタル排他的ＯＲ演算を行うための１つ以上の組合せユニットと、入力としてデジタルバイナリワードを受信し、単一のビットを出力する１つ以上の出力ユニットと、
他の全てのユニットの動作を同期させる１つのユニット、
１つ以上のＰＲＮＧユニットは、システムから送出されるストリームにおける特定の値を持つビットの所定の割合に従ってその幅が選択され得る並列ビットストリームを出力するように構成され、１つ以上の組合せユニットは、入力として、ＴＲＮＧユニットによって生成された１ビットと、ＰＲＮＧユニットによって生成された１つのｎビットのワードとを受信するように構成され、１つ以上の組合せユニットは、ＴＲＮＧユニットから受信された入力ビットと、ＰＲＮＧユニットから受信されたワードにおける各ビットとの間の排他的ＯＲ演算の結果にそのビット値が対応するバイナリストリームを出力するように構成され、出力ユニットは、入力として、対応する組合せユニットによって出力されたｎビットのワードを受信し、１ビットを出力するように構成され、その値は、ユニットにおいてプ

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ログラムされ得る関数によって決定され、出力ユニットにおいてプログラムされる関数は、システムから送出されるストリームにおける特定の値を持つビットの所定の割合に従って選択される。
【００１３】
一実施形態では、組合せユニットは、前記ｎビットのワードの各ビットを、前記真の乱数発生器ユニットからの同じビットと排他的ＯＲするように構成された排他的ＯＲゲートを備える。
【００１４】
出力ユニットは、前記ワードを表すワード値を出力することと、前記ワード値を閾値と比較することと、を行うように構成されたプロセッサを備え得、プロセッサは、前記閾値
より上のワード値に第１のビット値を割り振り、前記閾値より下のワード値に第２のビッ
ト値を割り振るようにさらに構成されており、前記第１のビット値はビット「１」及びビット「０」から選択され、前記第２のビット値はビット「１」及びビット「０」のうちの他方であり、前記閾値及び前記ｎの値は所定の出現確率になるようにビット「０」値及びビット「１」値の出現確率を制御するために選択されている。
【００１５】
出力ユニットは、関数を実装するために、組合せ論理コンポーネントを備え得る。例えば、ＬＵＴが、閾値を実装するために使用され得る。さらなる実施形態では、関数は、所
定のＸｉワードをビット０又は１のいずれかに対応付けるルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用する。例えば、ｎ＝４では、｛００００｝→０，｛１１１１｝→０であり、一方、その他全ての組合せ｛１０００｝，｛０１００｝，．．．→１である。
【００１６】
さらなる実施形態では、出力ユニットは、ｎビットのワードについての単一のビット値を作り出すために、前記ワードのビット値を論理的に組み合わせるように構成された複数の論理ユニットを備え得、ここで、ｎは、所定の出現確率になるように、ビット「０」値
及びビット「１」値の出現確率を制御するために選択される。例えば、複数の論理ユニッ
トは、ｎビットのワード内のビット値を組み合わせるように構成された複数のＡＮＤゲー
トを備える。
【００１７】
システムは、複数の並列のランダムビットストリームを出力するように構成され得、真の乱数発生器ユニットは、複数の並列の真のランダムビットストリームを出力するように構成され、組合せユニットは、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発生器ユニットの前記ビットストリームのうちの１つからのビットを、前記擬似乱数
発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせるように構成され、前記出力ユニッ
トは、並列の出力ビットストリームを作り出すために、各処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成するように構成されている。並列ビットストリームが存在する場合には、ｎの値は、各ビットストリームに対して別々に設定され得る。
【００１８】
一実施形態では、組合せユニットは、処理されたワードの複数の並列ビットストリームを作り出すために、前記複数の擬似ランダムビットストリームの各ビットストリームが、真の乱数発生器ユニットによって作り出された複数の並列の真のランダムビットストリー
ムからのビットストリームと組み合わされるように構成され、出力ユニットは、前記処理されたワードの並列ビットストリームから出力ビット値を生成するように構成される。
【００１９】
真の乱数発生器ユニットは、量子乱数発生器を備え得る。量子乱数発生器は、利得切替
ダイオードレーザを備え得る。
【００２０】
擬似乱数発生器ユニットは、乱数を生成するように適合されたアルゴリズムを実行する
プロセッサを備え得る。
【００２１】

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一実施形態では、前記組合せユニットは、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等のような、デジタルコ
ンポーネントを備え得る。出力ユニットもまた、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等のような、デジタ
ルコンポーネントを備え得る。同じデジタルコンポーネントが、出力ユニット及び組合せユニットの一部を形成し得る。
【００２２】
擬似乱数発生器ユニットは、乱数のビットストリームをそれぞれ出力する複数の擬似乱数発生器を備え得るか、又は単一の発生器が全てのストリームを提供し得る。
【００２３】
さらなる実施形態では、バイアスされたランダムビットストリームを生成するための方法が提供され、前記バイアスされたビットストリームは、ビット「０」及びビット「１」についての異なる所定の出現確率を有し、前記方法は、以下を備える。
真のランダムビットストリームを出力するように構成された真の乱数発生器ユニットを使用することと、
擬似ランダムビットストリームを生成することと、前記擬似ランダムビットストリー
ムは、ｎビットのワードを備え、ここで、ｎは、少なくとも２の整数であり、処理されたｎビットのワードを出力するために、前記真の乱数発生器ユニットからのビットを、前記擬似乱数発生器ユニットからのｎビットのワードと組み合わせることと、関数を使用して、前記処理されたｎビットのワードから出力ビット値を生成すること、ここにおいて、前記関数は、所定の出現確率になるように、ビット「０」値及びビット「１」値の出現確率を制御するために選択される。
【００２４】
一実施形態では、上記システムは、量子暗号のために使用され得る。量子暗号は、量子鍵配送（ＱＫＤ）を実施するために、異なるプロトコルの大きな集合を備える。いくつかのプロトコルは、予測不能な起源のものであるが、それと同時に、等しくない出現確率を有する、ランダムビットの使用を必要とする。いくつかのケースでは、同じプロトコル内
で、いくつかのタスクは、一様分布から抽出したビットを必要とし、他のタスクは、一様でない分布から抽出したビットを必要とする。
【００２５】
予測不能なランダムビットを得るために、上述されたような物理（真の）乱数発生器（
ＴＲＮＧ）が、通常、ＱＫＤシステムにおいて用いられる。しかしながら、ＴＲＮＧは、
通常、バイアスのないストリーム、すなわち、２つの可能性のあるビット値についての同じ出現確率を有するストリームを生成するように最適化される。最も予測不能なＴＲＮＧ
は、量子過程からランダムビットを抽出する（ＱＲＮＧ）。これらのＱＲＮＧは、一般に、クロックサイクル当たり限られた数のビットを作り出し、それは、最先端のＱＫＤシス
テムに匹敵するレートでは、バイアスされた出現確率を有するランダム変数を生成するために使用されることができない。
【００２６】
しかしながら、上記で説明されたシステムは、決定論的にバイアスされた乱数発生器（
Ｄ Ｂ − Ｒ Ｎ Ｇ ： deterministically biased random number generator） を 提 供 し 、 こ れ は、ＴＲＮＧのビットストリームと、１つ以上のＰＲＮＧからの１つ以上のビットストリー
ムとを好適に組み合わせることによって、任意にバイアスされた、すなわち、一様でない
ビットストリームを生成する。ＰＲＮＧは、バイアスを作成するために使用され、一方、
ＴＲＮＧは、予測不能性を保持するために使用される。
【００２７】
一実施形態では、ＰＲＮＧは、限定はしないが、デジタルプログラマブルデバイスで実装され、それらが、ＴＲＮＧによって（任意の）時間単位当たりに生成される各ビットについて、１つ以上のビットを生成するように動作される。ＰＲＮＧがＴＲＮＧの生成レー
トにマッチするので、バイアスされたビットストリームは、ビットを格納又は蓄積することを必要とせずに、リアルタイムで出力され得る。
【００２８】

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一実施形態では、量子通信システムのための送信ユニットが提供され、送信ユニットは、以下を備える。
受信ユニットに送信するための複数の量子ビットを生成するように構成された量子ビ
ット源と、量子ビットの一部の強度を変調するように配置された強度変調器と、量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器、強度変調器及び位相変調器は、上記で説明されたようなシステムから、バイアスされた
出力文字列を受信するように構成される。
【００２９】
一実施形態では、量子通信システムのための受信ユニットが提供され、受信ユニットは、以下を備える。
受信された量子ビットを検出するための少なくとも１つの検出器と、測定のために、受信された量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器、位相変調器は、上記で説明されたようなシステムから、バイアスされた出力文字列を受信するように構成される。
【００３０】
さらなる実施形態では、以下を備える量子通信システムが提供される。
受信ユニットに送信するための複数の量子ビットを生成するように構成された量子ビ
ット源と、量子ビットの一部の強度を変調するように配置された強度変調器と、量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器と、を備える送信ユニットと、受信された量子ビットを検出するための少なくとも１つの検出器と、測定のために、受信された量子ビットの一部の位相を変調するように配置された位相変調器と、を備える受信ユニット、
送信ユニットにおける強度変調器及び位相変調器のうちの少なくとも１つ、並びに、受信ユニットにおける位相変調器は、上記で説明されたようなシステムから、バイアスされた出力文字列を受信するように構成される。
【００３１】
図１は、一実施形態に係るバイアスされた乱数ストリームを生成するためのシステムを示す図である。システムは、ｍビット幅のランダムワード【００３２】【数１】【００３３】
を出力するように構成され、ここで、ビットｂが値１をとるイベントは、特定の目標確率ｐ（ｂ＝１）＝ｙを有する。ビットｂは、クロックサイクルごとに生成される。本明細書で使用される場合、ｍは、少なくとも２の整数である。
【００３４】
システムは、真の乱数発生器ＴＲＮＧ１を備え、これは、一実施形態では、物理現象か
らその「ランダム性」を導出する。ＴＲＮＧは、測定値から導出されるランダムな値又はビットの文字列を作り出すために、ランダムな自然発生からの測定を行うように構成され得る。例えば、測定される現象は、大気雑音、放射性崩壊及び半透鏡を通る光子の透過などである。ＴＲＮＧはまた、量子乱数発生器（ＱＲＮＧ）であり得る。ＱＲＮＧでは、ランダム性の源は、物理的であり、測定の予測不能性に依拠し、特に、予測不能性は、量子力学的性質に依拠する。ＱＲＮＧは、利得切替ダイオードレーザを使用して実装され得る。利得切替ダイオードレーザでは、レージング閾値が、量子力学的過程である自然放出に

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よって統制され、これにより、放出されたパルスの位相がランダムになる。ダイオードレーザを繰り返しオン及びオフに切り替えることによって、各々がランダム位相を有する光
パルスのストリームが生成され得る。光パルスのストリーム中の各光パルスのランダム位相を測定することによって、乱数のシーケンスが得られ得る。
【００３５】
出力は、本質的にランダムである自然過程によって決定されるので、出力は真にランダムである。この実施形態では、ＴＲＮＧ１は、バイナリストリーム（クロックサイクルごとに１ビット）を生成する、Ｑｉ＝ｑｉ，０。
【００３６】
図１のシステムはまた、擬似乱数発生器ＰＲＮＧ３を備える。ＰＲＮＧは、ある程度はランダムに見え得る値又はビットの文字列を作成する、コンピュータ実装されるアルゴリ
ズム、数式又はその他の方法であり得る。一見ランダムな値の文字列を出力するＰＲＮＧ
アルゴリズムの例は、線形合同法、ラグ付きフィボナッチ法、線形帰還シフトレジスタ及び計算難度の仮定に基づくアルゴリズムを含む。この実施形態では、ＰＲＮＧは、バイア
スのないビットストリームを出力するように構成される。この例では、ＰＲＮＧ３によって出力されるバイアスのないビットストリームは、バイアスのない擬似乱数発生器（ＰＲＮＧ）によって、クロックサイクルごとに、ｎビット幅のワード【００３７】【数２】

10【００３８】の形で出力される。
【００３９】
次いで、ＴＲＮＧ１及びＰＲＮＧの出力は、ワードＬｉ及びビットｑｉ，０から、処理されたｎビット幅のワードＸｉを生成するように構成された組合せユニット５へと入力される。これがどのようにして達成されるかは、図３及び図４を参照して説明される。一実
施形態では、これは、Ｌｉの各ビットとＱｉのビットｑｉ，０との論理排他的ＯＲ【００４０】【数３】30【００４１】をとること、すなわち、【００４２】【数４】【００４３】
によって達成される。この演算を行うために、組合せユニットは、各々がワードＬｉのビ
ット及びビットｑｉ，０の入力を受信するように構成された複数の排他的ＯＲゲートを備え得る。この演算を達成するために、組合せユニット５は、ＦＰＧＡであり得る。
【００４４】
システムは、ｎビット幅のワード【００４５】【数５】【００４６】
を受信することと、各入力ワードＬｉに対応する単一のビットｂｉを出力することと、を行うように構成された出力ユニット７をさらに備える。一実施形態では、出力ユニット７

40

50

(11)

JP 2022-82405 A 2022.6.1

は、ｂｉ＝０又はｂｉ＝１のいずれかを出力する所定の関数ｆにワードＸｉを入力する。
【００４７】
関数ｆは、目標確率ｐ（ｂ＝１）に従って事前に定義され、すなわち、ｆ：Ｘｉ→ｂｉｎｎ
は、Ｘｉの２ の起こり得る結果のうち、０≦ｔ＜２ をビット値ｂｉ＝０に、及び残りｎの２ −ｔをｂｉ＝１にマップする。一実施形態では、これは、ワードＬｉについての値を決定することによって行われ得、例えば、ワードの値をそのビット値から計算して、閾値ｋと比較し、その結果、ワード値＞ｔである場合は、ｂ＝１であり、そうでない場合は、ｂ＝０であり、あるいは、その逆も同様である。当然ながら、他の関数も使用され得る。
【００４８】
関数ｆは、ワードＢのｍビット全てが生成されるまで、変更されるべきではない。ｔ＞ｎ−１２である場合、【００４９】【数６】【００５０】ｎ−１
であり、Ｂは、ビット値０にバイアスされ、ｔ＜２である場合、Ｂは、ビット値１ｎ−１にバイアスされ、一方、ｔ＝２である場合、Ｂは、バイアスされないことになる。
より具体的には、【００５１】【数７】【００５２】が得られ、したがって、値ｎ及びｔは、目標値ｐ（ｂ＝１）＝ｙに正確に一致するか又は密接に近似するように選択され得る。
【００５３】
組合せユニットについてのさらなる実施形態もまた可能である。例えば、第２の実施形
態では、ランダムなｍビット幅のワード【００５４】【数８】【００５５】
を出力することが望ましく、ここで、ビットｂが値０をとるイベントは、１よりも可能性が高く、すなわち、確率【００５６】【数９】【００５７】を有する。
【００５８】
このような実施形態では、ＴＲＮＧ１、ＰＲＮＧ３及び組合せユニット５は、上記で説明されたのと同様の方法で動作する。しかしながら、ここで、出力ユニット７は、Ｘｉビッ ト の 論 理 Ａ Ｎ Ｄ 簡 約 （ reduction） （ Λ ） を と る こ と に よ っ て 、 目 標 ビ ッ ト ｂ ｉ を 得 る、すなわち、【００５９】

10

20

30

(12)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【数１０】【００６０】
である。
【００６１】【数１１】【００６２】
であると仮定される場合には、【００６３】【数１２】

10【００６４】という結果になる。これは、この場合、【００６５】【数１３】【００６６】であることを意味する。
【００６７】
図１の上記説明は、１つのｍビット幅のワード【００６８】【数１４】【００６９】
を出力することが望ましい、簡略化されたケースを仮定した。しかしながら、複数のｍビ
ット幅のワード【００７０】【数１５】【００７１】の並列ストリームを出力するようにシステムを構成することも可能である。
【００７２】
このようなシステムは、図１に示される。この実施形態では、ｗ個のランダムなｍビッ
ト幅のワード【００７３】【数１６】【００７４】の集合が、【００７５】

30

40

(13)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【数１７】【００７６】ｋで生成されるべきであると仮定され、ここで、ビットｂ が値０をとるイベントは、１よりも可能性が高く、すなわち、確率【００７７】【数１８】【００７８】を有する。
【００７９】
図１を参照して上記で説明されたように、ＰＲＮＧユニット１０２は、擬似ランダムワ
ードを生成するために使用される。しかしながら、図２では、ｗ個のｎビット幅のワード【００８０】【数１９】【００８１】の集合が、並列に生成される。各ユニットがストリームを出力する複数のＰＲＮＧユニットが使用されるか、又は図３を参照して説明されるように、単一のＰＲＮＧユニットが存在することが可能である。
【００８２】
それら同じ目標ビット【００８３】【数２０】20【００８４】
については、物理ＴＲＮＧ１０１が、ｗビット幅のワード１０３【００８５】【数２１】30【００８６】
を生成するために使用される。
【００８７】
次いで、複数の組合せユニット１０５が、各【００８８】【数２２】40【００８９】のビットとＱｉのビットｑｉ，ｋとの論理排他的ＯＲ【００９０】【数２３】【００９１】をとること、すなわち、

50

(14)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【００９２】【数２４】【００９３】
によって、ｗ個のｎビット幅の処理されたワード【００９４】【数２５】【００９５】の集合を生成するために使用され得る。
【００９６】
次いで、目標ビット【００９７】【数２６】【００９８】
が、出力ユニット１０７を使用して、【００９９】【数２７】

20【０１００】
におけるビットの論理ＡＮＤ簡約（Λ）をとること、すなわち、【０１０１】【数２８】【０１０２】
によって得られ、出力ユニット１０７が、単一のビット１０８【０１０３】【数２９】【０１０４】
を出力する。
【０１０５】
以上のことから、システムは、異なる確率を有する複数のストリームを生成するために
（ｋ−１）
（ｋ−１
使用され得ることが分かり得る。例えば、ストリームＢ
が確率ｐ（ｂ）ｋ＝１）＜ｐ（ｂ ＝１）を必要とする場合には、ワード【０１０６】【数３０】【０１０７】
を生成するだけで十分となる。図３に示されるように、ＴＲＮＧ１によって作り出された

40

50

(15)

JP 2022-82405 A 2022.6.1

ビットのうちの１つ（又は複数）が、バイアスのないビットストリームとして直接出力さ０れることも可能である。図３は、Ｂ が、ＴＲＮＧ１０１の出力から直接とられる場合の配 置 （ arrangement） を 示 す 。
【０１０８】
図２を参照して説明された上記例では、出力ユニットは、論理ＡＮＤ簡約を使用する。
しかしながら、出力ユニット７は、関数が使用される、例えば、閾値「ｔ」が選択される、最初に説明された方法を使用することもできる。
【０１０９】
図２及び図３を参照して説明された上記実施形態では、並列ビットストリームの各々についてのビットの出現確率は、他のビットストリームとは独立に制御され得る。ｎの値が並列ビットストリームの各々について変更され得ると共に、（適切な場合には）ｔの値も各ビットストリームについて独立に変更され得る。
【０１１０】
図４は、図３に基づくシステムの概略図であるが、ここで、出力ユニットは、論理ＡＮ
Ｄ簡約を使用する。
【０１１１】
上記の例示として、図５は、ＴＲＮＧとＰＲＮＧとの間の同期を示す表である。第１の列は、クロックサイクルを示す。第１のクロックサイクルにおいて、ＴＲＮＧは、複数のビットを出力する。この例では、ＴＲＮＧは、第１のクロックサイクルにおいて、ｗ個のビットを出力し、各ビットは、ｋでインデックス付けされている。次いで、ｗ個のビットの各々は、ＰＲＮＧからのワードと組み合わされる。この例では、ｗ個のＰＲＮＧが存在し、したがって、各ＰＲＮＧについて、クロックサイクルごとにＴＲＮＧからのビットがある。上記方法に従って、ビット【０１１２】【数３１】【０１１３】
が、説明されたように、各ＰＲＮＧからのワードと、そのそれぞれのＴＲＮＧビットとを組み合わせることから出力される。
【０１１４】
上記実施形態では、ＤＢ−ＲＮＧデータフローが、より短いレイテンシ時間でパイプラ
イ ン 化 （ pipelined） さ れ 得 る 。 加 え て 、 よ り 単 純 な デ ジ タ ル 処 理 を 伴 う こ と に よ り 、 最大クロックレートは、より高くなり得る。
【０１１５】
ＴＲＮＧが、必要とされる（上記では、可能なｗ個のビット）よりも少ない数のビットを作り出す場合、速度を維持するために、残りのビットを提供しなければならない。１つの解決策が、１つのＴＲＮＧを使用するが、複数のサイクルからのビットを格納し、必要とされるビットの数に達するまで、メモリにおいてこれらビットを蓄積することである。
しかしながら、この解決策は、それが１つのサイクルからの出力ビットを作り出すために、２つ以上のサイクルにわたるＴＲＮＧの出力を必要とするので、遅延を引き起こすことになる。別の実施形態では、単一のＴＲＮＧからの２つのビットが、さらなるビットを提供するために、ＸＯＲゲートによって組み合わされ得る。このような解決策は、ＴＲＮＧが必要とされるよりも１つ少ないビットを作り出した場合に適切となる。このスキームは、たとえＴＲＮＧが必要とされるよりも少ないビットを作り出したとしても、依然として
リアルタイムでのバイアスされたビットの生成が行われることを可能にするであろうという利点を有する。さらに、ＴＲＮＧによるそれら出力から余分なビットを作り出すことは、メモリにおいてビットを蓄積する必要性を回避する。
【０１１６】
サイクルにおいて出力されるべきビットの必要な数は、ビットの意図された用途によっ

10

20

30

40

50

(16)

JP 2022-82405 A 2022.6.1て決定される。以下で説明される一実施形態では、ビットの出力ストリームが、量子通信において使用される。いくつかの量子通信プロトコルは、送られることになるビットに対する制御、基底、そしてまた、強度変調器の制御を達成するために、一定の数のランダムビットがサイクル当たりに提供されることを必要とする。強度変調器に対する制御は、盗聴者の存在を検出し得る、いわゆる「デコイ状態プロトコル」といったプロトコルが使用されることを可能にする。デコイ状態を備えるＢＢ８４プロトコルの効率的な形態では、１ビットが、送られることになるビットを提供するために必要とされ、１ビットが、基底の選択のためのものであり、２ビットが、強度の選択のためのものである。
【０１１７】
次に、図１から図４を参照して説明されたシステムが、量子通信システムにおいて実装される。図６は、量子通信システムの一例である。
【０１１８】
図６は、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの概略図を示す。ＱＫＤは、量子ビット、すな
わちキュービットを使用した安全な方法で、２つの当事者がランダムな秘密鍵又は暗号を作成及び共有することを可能にする。ＱＫＤは、理論上、鍵の送信者（しばしば「アリス」と呼ばれる）及び受信者（しばしば「ボブ」と呼ばれる）が、盗聴者（しばしば「イブ」と呼ばれる）が通信を傍受し、鍵の安全性が損なわれているかどうかに気付くことを可能にする。
【０１１９】
これは、キュービットが、測定された特性に影響を及ぼすことなしには、測定され得ないという事実に依拠する。したがって、イブの干渉に起因する受信されたキュービットのそのようないかなる変化も、アリス及びボブによって検出され得る。
【０１２０】
量子ビットは、光パルス又は単一光子パルスに符号化され得る。量子ビット源は、光パルス又は単一光子の光源であり得る。光パルス源は、本明細書で説明される実施形態に従って実装され得る。
【０１２１】ＱＫＤシステムは、光を使用し得る。本明細書で開示される実施形態は、光強度値を制御し得る。本明細書で開示される実施形態は、ＱＫＤプロトコルによって規定される符号化及び／又は復号の基底を制御し得る。特定の例は、デコイ状態を備えるＢＢ８４プロト
コルであり得、本開示に係る実施形態は、「信号」、「デコイ」及び「真空」状態にそれぞれ対応し得る３つの値ｕ、ｖ及びｗを出力し得る。これらの出力値の各々が、異なる出力頻度で生じることが望ましくあり得る。したがって、本明細書で説明されるような文字
列プロセッサが、そのようなＱＫＤシステムにおいて使用され得る。別の例は、一実施形
態において、２つの基底、Ｚ及びＸ、が使用され得る、いわゆる「高効率ＢＢ８４プロト
コル」である。これらの基底は、異なる出現確率で選択され得る。したがって、以下に説明されるようなＲＮＧが使用され得る。また、デコイ状態とともに高効率ＢＢ８４プロト
コルを併せて有することも可能である。このケースでは、複数の出力シンボル（Ｚｕ、Ｚｖ、Ｚｗ、Ｘｕ、Ｘｖ、Ｘｗ）が、異なる確率で選択されなければならず、以下に説明されるＲＮＧが使用され得る。
【０１２２】ＱＫＤシステムは、送信ユニット（アリス）及び受信ユニット（ボブ）において、２つのフィールドプログラマグルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）文字列プロセッサ１２８２及び１
２８４を備える。
【０１２３】
図６では、デコイ状態ＢＢ８４プロトコルの標準的又は高効率バージョンを実装するた
めのＱＫＤセットアップが図示される。図６の実施形態は、暗号化された鍵を受信機（ボブ）に送っている、送信機（アリス）を例示する。光源１２８６、すなわち光子源が、光パルスを生成し、次いで、それを強度変調器１２８８に通過させる。強度変調器１２８８は、デコイ状態法を実装し、各光パルス又は光子は、「信号」、「デコイ」又は「真空」

10

20

30

40

50

(17)

JP 2022-82405 A 2022.6.1にそれぞれ対応するいくつかの所定の強度｛ｕ，ｖ，ｗ｝のうちの１つにランダムに変調され、これらの所定の強度は、ユーザによって決定された出現頻度｛ｆｕ，ｆｖ，ｆｗ｝
で生じる。上記で図１から図４を参照して説明されたような乱数発生器を備える文字列プ
ロセッサが、強度変調器１２８８を制御するために使用され、３つの出力（各々がある特定の強度に対応する）に、品質保証されたレベルのランダム性と所定のバイアスとを与える。文字列プロセッサは、上記で説明されたような組合せ関数及び出力関数を実施するた
めのＦＰＧＡを備え得る。
【０１２４】
次いで、強度変調されたパルスは、入力ビームスプリッタ１２９０によって分割される。１つの経路−「第１の経路」−は、ビームスプリッタ９０の後に位相変調器１２９２を通過する。位相変調器１２９２は、特定の位相で光子をランダムに変調し、したがって、（この実施形態では）２つの基底｛Ｚ，Ｘ｝のうちの１つで光子を出力する。２つの基底間の出現比率は、バイアスされるか、又はバイアスされない場合があり、ユーザによって予め決定され得る。前者のケースでは、ＢＢ８４プロトコルの高効率バージョンが実現され、後者のケースでは、ＢＢ８４プロトコルの標準的なバージョンが実現される。本明細書 で 開 示 さ れ る 発 明 は 、 バ イ ア ス の な い ケ ー ス を 些 細 な 特 殊 な ケ ー ス （ trivial particul
ar case） と し て 、 両 方 の ケ ー ス を カ バ ー し 得 る 。 文 字 列 プ ロ セ ッ サ 、 す な わ ち 、 一 実 施
形態に係るＦＰＧＡ文字列プロセッサ１２８２が、基底選択のために位相変調器１２９２を制御するために使用される。図５の位相変調器１２９２における基底選択を制御するＦ
ＰＧＡ１２８２は、強度変調器１２８８を制御するＦＰＧＡ１２８２と同等である。代替として、異なる文字列プロセッサ、すなわち、一実施形態に係る異なるＦＰＧＡが、位相変調器１２９２を制御するために使用され得る。
【０１２５】
入 力 ビ ー ム ス プ リ ッ タ １ ２ ９ ０ か ら の 第 ２ の 経 路 は 、 光 学 的 遅 延 １ ２ ９ ３ を 通 る （ sent
through） 。
【０１２６】
次いで、第１及び第２の経路からの光パルス又は光子は、光伝送路１２９４並びに２つの偏光ビームスプリッタ１２９６及び１２９８を介して、受信機（ボブ）に送られる。ア
リスの偏光ビームスプリッタ１２９６は、２つの異なる経路からの偏光パルス又は光子を回転及び組み合わせ、それらを、光伝送路１２９４を経由して送る。パルス又は光子は偏光されているので、ボブの偏光ビームスプリッタ１２９８は、それらを分離して、彼の干渉計の２つの経路にそれらを向かわせ、今度は、アリスの位相変調器１２９２を経由して送られたパルス又は光子を、光学的遅延１２００を経由して送り、アリスの位相変調器１２９２を経由して送られていないパルス又は光子を、位相変調器１２０２を経由して送る。このようにして、パルス又は光子は、最終的なビームスプリッタ１２０４に同時に到達し得、干渉し得る。
【０１２７】
ボブの位相変調器１２０２は、位相変調値を選択することによって、受信されたパルス
又は光子を測定するために２つの基底のうちの１つをランダムに選択する。アリスの位相変調器１２９２と同様に、ボブの位相変調器１２０２は、特定の位相で光子をランダムに変調し、したがって、（この実施形態では）２つの基底｛Ｚ，Ｘ｝のうちの１つで、光子を検出器１２０８及び１２１０を通じて効果的に測定する。２つの基底間の出現比率は、バイアスされ、アリスの位相変調器１２９２での出現比率と等しくなるように、ユーザによって予め決定される。さらなる文字列プロセッサ、すなわち、一実施形態に係るＦＰＧ
Ａ文字列プロセッサ１２８４が、基底選択のためにこの第２の位相変調器１２０２を制御するために使用され得る。
【０１２８】
次いで、受信機における２つの経路は、出力ビームスプリッタ１２０４において再び組
み合わされる。２つの光学的遅延１２９３及び１２００が組み合わさって、両方の全体的な経路が同じ遅延を経験することを確実にすることを保証するために、可変遅延線１２０

10

20

30

40

50

(18)

JP 2022-82405 A 2022.6.1

６が、受信機における遅延を微調整する。
【０１２９】
次いで、光子検出器１２０８及び１２１０が、２つの経路上のパルス又は光子間の干渉の結果を測定するために使用され、これらの結果から、鍵が導出され得る。例えば、検出器１２０８がクリックした場合、鍵ビット値０が割り当てられ得、一方、検出器１２１０がクリックした場合、鍵ビット値１が割り当てられ得る。
【０１３０】
上記では、アリスの位相変調器１２９２及びボブの位相変調器１２０２は、量子ビットをそれぞれ符号化及び復号するように構成される。
【０１３１】
次に、一例が、Ｔ１２ ＱＫＤプロトコルにおいて使用されるバイアスされたビットス
トリームの生成のための方法の動作を例示するために提示される。上述されたように、こ０１２３のプロトコルは、真にランダムなｗ＝４ストリーム｛Ｂ ，Ｂ ，Ｂ ，Ｂ ｝を必要と０１する。各繰り返しｉにおいて、Ｂ 及びＢ からの１ビットが、２つのイベントをそれぞれ選択するために使用され、すなわち、ビット値｛０，１｝の選択及びキュービットコー
２
３
ディング基底｛Ｚ，Ｘ｝の選択である。ストリームＢ 及びＢ は、３つの可能性のある強度、いわゆる、信号、真空及びデコイを選択するために使用される。
【０１３２】
この実施形態では、ビット選択のイベントを除いて、その他全ての選択は、大きくバイ
ア ス さ れ る こ と を 必 要 と す る 。 異 な る イ ベ ン ト に つ い て の 便 宜 的 な 確 率 （ convenient pro
babilities） の リ ス ト が 、 下 記 表 の 第 １ の 列 に 示 さ れ て い る 。 ビ ッ ト ス ト リ ー ム 及 び イ ベ
ントを選択するために使用されるコーディングは、それぞれ第２及び第３の列において報告されている。
【０１３３】【表１】【０１３４】
異なるイベントについての目標確率に従って、ユーザは、それぞれのイベントについて
以下の関数を予め定義する。
１
１
１− 基底選択：ｎ＝４，ｔ＝１３，ｆｂａｓｉｓ：Ｘ →ｂ 、これにより、Ｘ の１０
進表現【０１３５】
【数３２】

10

20

(19)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【０１３６】
１である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝０であり、【０１３７】【数３３】【０１３８】
１である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝１である。
２
２
２− 真空選択：ｎ＝４，ｔ＝１５，ｆｖａｃｕｕｍ：Ｘ →ｂ 、これにより、Ｘ の１
０進表現【０１３９】【数３４】

10【０１４０】
２である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝０であり、【０１４１】【数３５】【０１４２】
２である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝１である。
３
３
３− デコイ選択：ｎ＝４，ｔ＝１５，ｆｄｅｃｏｙ：Ｘ →ｂ 、これにより、Ｘ の１
０進表現【０１４３】【数３６】【０１４４】
３である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝０であり、【０１４５】【数３７】【０１４６】
３である場合、ｆｂａｓｉｓ（Ｘ ）＝１である。
【０１４７】
次いで、各繰り返しｉにおいて：− ＱＲＮＧ Ｑｉ＝｛ｑｉ，０ ｑｉ，１ ｑｉ，２ ｑｉ，３｝。ビットｑｉ，０は、
キュービット値を選択するために直接使用され、すなわち、【０１４８】【数３８】【０１４９】である。ＱＲＮＧは、バイアスされていないので、【０１５０】
【数３９】

30

40

(20)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【０１５１】である。
− ＰＲＮＧ１は、【０１５２】【数４０】【０１５３】
を生成する。これらのビットの各々は、ビットｑｉ，１とＸＯＲされ、このようにして、【０１５４】【数４１】

10【０１５５】
を生成する。次いで、基底を選択するビット値【０１５６】【数４２】【０１５７】
が、ｆｂａｓｉｓを【０１５８】【数４３】20【０１５９】に適用することによって得られる。
【０１６０】【数４４】【０１６１】であることは明らかである。
− ＰＲＮＧ２及びＰＲＮＧ３は、それぞれ【０１６２】【数４５】【０１６３】
を生成する。２つのワードは、それぞれビットｑｉ，２及びｑｉ，３とＸＯＲされ、このようにして、【０１６４】【数４６】【０１６５】
を生成する。ｆｖａｃｕｕｍ及びｆｄｅｃｏｙを【０１６６】40

(21)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【数４７】【０１６７】に適用することによって、ビット【０１６８】【数４８】【０１６９】
が得られる。この段階において、【０１７０】【数４９】【０１７１】である。
【０１７２】
真空イベントは、確率【０１７３】
【数５０】

10

20

【０１７４】
で選択される。デコイイベントは、確率【０１７５】【数５１】【０１７６】
で選択される。信号イベントは、確率【０１７７】【数５２】【０１７８】
で選択される。
【０１７９】
上記方法を使用して、３つの関数ｆｂａｓｉｓ、ｆｖａｃｕｕｍ及びｆｄｅｃｏｙは、
便宜的に設定され得る。
【０１８０】
上記例は、出力ビットの出現確率を制御するために、出力関数を使用した。下記例は、
出力ユニットにおいて論理ＡＮＤ簡約を使用する。
【０１８１】

30

40

(22)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【表２】【０１８２】
ビットストリームの生成は、量子乱数発生器ＱＲＮＧと３つのＰＲＮＧとによって達成され得る。以下のスキームを参照すると、各繰り返しｉにおいて：− ＱＲＮＧ Ｑｉ＝｛ｑｉ，０ ｑｉ，１ ｑｉ，２ ｑｉ，３｝。ビットｑｉ，０は、
キュービット値を選択するために直接使用され、すなわち、【０１８３】

20【数５３】【０１８４】である。ＱＲＮＧは、バイアスされていないので、【０１８５】【数５４】【０１８６】である。
− ＰＲＮＧ１は、【０１８７】【数５５】【０１８８】
を生成する。これらのビットの各々は、ビットｑｉ，１とＸＯＲされ、このようにして、【０１８９】【数５６】【０１９０】
を生成する。次いで、基底を選択するビット値【０１９１】
【数５７】

40

(23)

JP 2022-82405 A 2022.6.1【０１９２】
が、【０１９３】【数５８】【０１９４】
におけるビットのＡＮＤ簡約をとることによって得られる。
【０１９５】【数５９】10【０１９６】であることは明らかである。
− ＰＲＮＧ２及びＰＲＮＧ３は、それぞれ【０１９７】【数６０】【０１９８】
を生成する。２つのワードは、それぞれビットｑｉ，２及びｑｉ，３とＸＯＲされ、このようにして、【０１９９】【数６１】

20【０２００】
を生成する。
【０２０１】【数６２】

30【０２０２】
におけるビットのＡＮＤ簡約をとることによって、ビット【０２０３】【数６３】【０２０４】
が得られる。この段階において、【０２０５】【数６４】【０２０６】である。
− 真空イベントは、確率【０２０７】40

(24)JP 2022-82405 A 2022.6.1【数６５】【０２０８】
で選択される。デコイイベントは、確率【０２０９】【数６６】【０２１０】
で選択される。信号イベントは、確率【０２１１】【数６７】【０２１２】
で選択される。
【０２１３】
ある特定の実施形態が説明されてきたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されたものであり、本発明の範囲を限定するようには意図されない。実際、本明細書に説明された、新規のデバイス及び方法は、様々な他の形態で具現化され得、さらに、本明細書に説明されたデバイス、方法及び製品の形態における様々な省略、置き換え及び変更が、本発明の趣旨から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本発明の範囲及び趣旨内に含まれるものとして、そのような形態又は修正を網羅する
ように意図される。
【図１】
【図２】

10

20

(25)

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

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(26)JP 2022-82405 A 2022.6.1

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フロントページの続き(72)発明者 ダヴィデ マランゴン
イギリス国、・ロード、

シービー４・０ジーゼット、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 ミルコ

サンザロ

イギリス国、

シービー４・０ジーゼット、・ロード、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 タオフィク

パライソ

イギリス国、・ロード、

シービー４・０ジーゼット、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 トーマス ロジャー
イギリス国、

シービー４・０ジーゼット、・ロード、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 イノセンゾ

デ

イギリス国、

マルコ・ロード、

シービー４・０ジーゼット、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 ジリアン ユアン
イギリス国、

シービー４・０ジーゼット、・ロード、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内(72)発明者 アンドリュー

ジェームス

イギリス国、・ロード、

シールズ

シービー４・０ジーゼット、

ケンブリッジシャー、

ケンブリッジ・サイエンス・パーク

２０８、

リミテッド、ケンブリッジ・リサーチ・ラボラトリー内

ケンブリッジ、

ミルトン

トーシバ・リサーチ・ヨーロッパ・

(27)【外国語明細書】
2022082405000077.pdf

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