Kuantum rastgele sayı üreteci tasarımı ve uygulaması
Quantum random number generator design and implementation
Yazar: SAFA HANKÖYLÜ
Danışman: PROF. DR. ALİ ZİYA ALKAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Rastgelelik; şans/talih oyunları, istatistik hesaplamaları, bilgisayar simülasyonları, bilgi güvenliği ve şifreleme gibi içerisinde rastgele olayların yaşanması gereken her tür uygulamada karşımıza çıkmaktadır. Rastgeleliği kullanan olaylar için rastgelelik kalitesi oldukça önemlidir. Özellikle kriptoloji alanında kullanılan rastgele sayıların tahmin edilemez olması gerekliliği, rastgele sayı üreteçlerinin önemini artırmaktadır.   

Rastgele Sayı Üreteçleri (RSÜ), aralarında herhangi bir örüntü, ilişki olmayacak şekillerde tahmin edilemeyecek sayı dizileri üretilmesini sağlayan yazılımsal veya donanımsal bileşenlerdir. Yazılım kaynaklı RSÜ'ler deterministik uygulamalar olup donanım kaynaklı RSÜ'ler ise sisteme entegre edilebilen aygıtlardır.

Yazılımsal RSÜ kullanılarak üretilen sayılarla yapılan şifreleme, deterministik yollarla geliştirildiği için, şifrelemenin gücüne göre değişen sürelerde, çözümlenmesi mümkün olan üreteçlerdir. Günümüzde geliştirilmeye çalışılan kuantum bilgisayarların hayatımıza girmesi ile klasik bilgisayarlarla çözümlemenin çok uzun zaman aldığı şifre çözme durumları için sürelerin önemli ölçüde kısalması beklenmektedir. Donanımsal RSÜ'ler ise, rastgelelik kaliteleri yazılım kaynaklı üreteçlerden daha güçlü olmakla birlikte maliyetli ve kullanımı sınırlı üreteçlerdir. 

Kuantum Rastgele Sayı Üreteçleri (KRSÜ) ise, klasik fizik yerine Kuantum fiziği yasalarının temel alındığı bir üreteç çeşididir. Fotonik tabanlı KRSÜ'de fotonların belirsizliğinden faydalanılarak çeşitli yazılımsal ve donanımsal işlemlerden sonra rastgele sayılar üretilir. Üretilen bu sayılar, tahmin edilemeyecek seviyede güçlü rastgele sayılardır.  

Bu tez çalışmasında, tek LED'li bir ışık kaynağından alınan görüntülerin RGB (Red – Green - Blue) değerlerinden faydalanılarak bir KRSÜ elde edilmeye çalışılmış ve üretilen sayıların rastgelelik testleri, NIST (National Institute of Standards and Technology) tarafından sağlanan testlerle gerçekleştirilmiştir. Sonuçta, tek ledli, beyaz ışık kaynağından elde edilen görüntülerle NIST testlerini başarıyla geçmiş rastgele sayı dizileri elde edilmiştir.

Abstract:
Randomness occurs in every kind of application in which random events should be experienced such as gambling, statistical calculations, computer simulations, information security and encryption. The quality of randomness is very important for the events using randomness. In particular, the need for random numbers used in the field of cryptology to be unpredictable increases the importance of random number generators.

Random Number Generators (RNGs) are software or hardware components that can be used to generate numbers that cannot be predicted in any pattern or relationship. Software-based RNGs are deterministic applications, while hardware-based RNGs are the devices that can be integrated into the system.

Encryption using numbers generated by software-based RNG can be broken in varying times depending on the strength of the encryption because it was developed in deterministic ways. It is expected that the decoding time will be shortened considerably by the quantum computers which are tried to be developed today besides classic computers that takes a long time to analyze. The hardware RNGs are more powerful in randomness quality than software-based generators, but cost-effective and use-limited generators.

Quantum Random Number Generators (QRNGs) is a kind of generator based on quantum physics laws instead of classical physics. In photonic based QRNGs are produced the random numbers after various software and hardware operations by taking advantage of the uncertainty of photons. These generated numbers are unpredictably strong random numbers.

In this study, a QRNG was obtained by using the RGB (Red-Green-Blue) values of the images taken from a white-single LED light source and the randomness tests of the produced numbers were carried out with the tests provided by NIST (National Institute of Standards and Technology). As a result, the numbers derived from the images successfully passed NIST tests and true random number sequences were obtained.