Введение
Последовательности случайных чисел играют фундаментальную роль в криптографии, статистическом моделировании, фундаментальных исследованиях. При этом качество случайности непосредственно влияет на точность вычислительных методов, безопасность криптографических систем. По этой причине для генерации истинно случайных чисел стали применяться физические явления различной природы.
Квантовые генераторы случайных чисел (КГСЧ) опираются на внутреннюю случайность квантово-механических систем. Достаточное распространение в качестве источников энтропии получили статистическое распределение числа фотонов, суперлюминесценция, фазовые шумы лазеров, комбинационное рассеяние света, вакуумные флуктуации. Сложность устройства КГСЧ и достижимая скорость генерации сильно зависят от источника энтропии. При этом не каждая система удачно воссоздаётся в интегральном исполнении, что усложняет внедрение КГСЧ в промышленные устройства.
В представленной работе в качестве источника энтропии используется вакуумный шум, регистрируемый с помощью сбалансированного гомодинного приёмника. Такой метод отличается рядом преимуществ, среди которых доступность источника энтропии, устойчивость системы к внешним возмущениям и нестабильности лазерного излучения. Применение интегрированной архитектуры позволило снизить вклад дробового шума приёмника, что при учёте нелинейности работы аналого-цифрового преобразователя увеличивает скорость генерации до 100 Гбит/с.
Практическая реализация
Рисунок 1 — Принципиальная схема КГСЧ
Схема предложенного КГСЧ представлена на рисунке 1. Непрерывный одночастотный лазер с длиной волны 1550 нм (NKT Koheras Basik E15) подключается к фотонной интегральной схеме (PIC) со смесителем и двумя фотодиодами. Фототок преобразуется в напряжение с помощью трансимпедансного усилителя (ТИУ), а затем усиливается линейным широкополосным усилителем для оптимального заполнения диапазона АЦП. Аналоговый сигнал оцифровывается осциллографом со встроенным 8-разрядным АЦП с частотой дискретизации 20 ГГц. Для экстракции случайных чисел используется хэширование матрицами Тёплица. Сгенерированные последовательности чисел успешно проходят статистическое тестирование NIST и DIEHARDER.
Помимо уменьшения габаритов установки сбалансированный гомодинный приёмник гарантирует гибкость настройки КГСЧ под конкретные условия применения, увеличивая производительность. Это проявляется в виде широкой полосы пропускания (20 ГГц) и большого динамического диапазона (28 дБ).
Для создания высокопроизводительного КГСЧ требуется приёмник с высокой пропускной способностью и низкими временными корреляциями. Временные корреляции сигнала приёмника сильно взаимосвязаны с частотой Найквиста АЦП и сложностью создания чувствительного малошумного широкополосного (не менее 10 ГГц) трансимпедансного усилителя. Для улучшения характеристик и снижения временных корреляций дополнительно используется эквалайзер.
В ходе исследования КГСЧ показал скорость генерации случайной последовательности чисел до 38,13 Гбит/с без использования эквалайзера. При применении эквалайзера с 9 и 201 ступенями удалось достичь скоростей генерации 71,88 Гбит/с и 100 Гбит/c соответственно. Как показывают расчёты, с идеальным приёмником без временных корреляций достижима скорость генерации до 138,75 Гбит/с.
Заключение
Продемонстрированная схема КГСЧ на флуктуациях вакуума гарантирует генерацию случайных чисел со скоростями до 100 Гбит/с. Достигнутая скорость превышает результаты, полученные с другими современными КГСЧ этого типа. При этом дальнейшее увеличение скорости возможно за счёт улучшения технических характеристик фотоприёмников, уменьшения временных корреляций.
Источник: Bruynsteen, C., Gehring, T., Lupo, C., Bauwelinck, J., & Yin, X. (2023). 100-Gbit/s integrated quantum random number generator based on vacuum fluctuations. PRX quantum, 4(1), 010330.
Компания INSCIENCE является поставщиком оборудования NKT Photonics для различных приложений.
В статье описывается биочип, сочетающий электрод для определения концентрации фенилаланина и микрофлюидный модуль для регистрации скорости потоотделения, изготовленный с использованием лазера. Биочип используется для неинвазивного мониторинга состояния пациентов с метаболическими нарушениями.
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
