doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-962-968


УДК 530.145

Генерация случайных чисел с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками

Петренко А.А., Ковалев А.В., Бугров В.Е.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Петренко А.А., Ковалев А.В., Бугров В.Е. Генерация случайных чисел с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 962–968. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-962-968


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты исследования процесса генерации случайных битовых последовательностей с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками. Метод. Для моделирования лазерной генерации массива связанных микростолбиков использованы скоростные уравнения для лазеров на квантовых точках. Численное моделирование динамики массива лазеров осуществлено при помощи полуимплицитного метода Эйлера, реализованного на языке Julia. Алгоритм генерации битовой последовательности представляет собой последовательную реализацию следующих шагов: выборка значений интенсивности суммарного поля массива связанных микростолбиков, нормировка и дискретизация полученных значений в соответствии с разрешением восьмибитного аналого-цифрового преобразователя, извлечение четырех младших разрядов из битового представления дискретизированных значений, конкатенация битовых значений в единую последовательность. Основные результаты. Показана возможность генерации битовых последовательностей с равновероятным распределением нулей и единиц с производительностью до 400 Гбит/с при использовании массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками. Полученные при частоте выборки интенсивности суммарного поля 100 гигавыборок в секунду и сохранении четырех младших разрядов последовательности длиной 14 285 716 битов успешно прошли 14 статистических тестов NIST 800-22 для p-значения 0,01. Практическая значимость. Предложенный метод может быть реализован при разработке генераторов случайных чисел на базе более масштабных массивов связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками. Результаты работы могут найти применение при экспериментальной реализации генераторов случайных чисел с использованием массивов связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками.

Ключевые слова: генераторы случайных чисел, микростолбики с квантовыми точками, релаксационные колебания, защищенные коммуникации

Благодарности. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442.

Список литературы
  1. Virte M., Mercier E., Thienpont H., Panajotov K., Sciamanna M. Physical random bit generation from chaotic solitary laser diode // Optics Еxpress. 2014. V. 22. N 14. P. 17271–17280. https://doi.org/10.1364/OE.22.017271
  2. Butler T., Durkan C., Goulding D., Slepneva S., Kelleher B., Hegarty S.P., Huyet G. Optical ultrafast random number generation at 1 Tb/s using a turbulent semiconductor ring cavity laser // Optics Letters. 2016. V. 41. N 2. P. 388–391. https://doi.org/10.1364/OL.41.000388
  3. Huang W., Zhang Y., Zheng Z., Li Y., Xu B., Yu S. Practical security analysis of a continuous-variable quantum random-number generator with a noisy local oscillator // Physical Review A. 2020. V. 102. N 1. P. 012422. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.012422
  4. Oliver N., Soriano M.C., Sukow D.W., Fischer I. Fast random bit generation using a chaotic laser: approaching the information theoretic limit // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2013. V. 49. N 11. P. 910–918. https://doi.org/10.1109/JQE.2013.2280917
  5. Zhang L., Pan B., Chen G., Guo L., Lu D., Zhao L., Wang W. 640-Gbit/s fast physical random number generation using a broadband chaotic semiconductor laser // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 45900. https://doi.org/10.1038/srep45900
  6. Cao G., Zhang L., Huang X., Hu W., Yang X. 16.8 Tb/s true random number generator based on amplified spontaneous emission // IEEE Photonics Technology Letters. 2021. V. 33. N 14. P. 699–702. https://doi.org/10.1109/LPT.2021.3088156
  7. Wahl M., Leifgen M., Berlin M., Röhlicke T., Rahn H.-J., Benson O. An ultrafast quantum random number generator with provably bounded output bias based on photon arrival time measurements // Applied Physics Letters. 2011. V. 98. N 17. P. 171105. https://doi.org/10.1063/1.3578456
  8. Nie Y.Q., Zhang H.F., Zhang Z., Wang J., Ma X., Zhang J., Pan J.W. Practical and fast quantum random number generation based on photon arrival time relative to external reference // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. N 5. P. 051110. https://doi.org/10.1063/1.4863224
  9. Ren M., Wu E., Liang Y., Jian Y., Wu G., Zeng H. Quantum random-number generator based on a photon-number-resolving detector // Physical Review A. 2011. V. 83. N 2. P. 023820. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.83.023820
  10. Applegate M.J., Thomas O., Dynes J.F., Yuan Z.L., Ritchie D.A., Shields A J. Efficient and robust quantum random number generation by photon number detection // Applied Physics Letters. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.81.051137
  11. Qi B., Chi Y.M., Lo H.K., Qian L. High-speed quantum random number generation by measuring phase noise of a single-mode laser // Optics Letters. 2010. V. 35. N 3. P. 312–314. https://doi.org/10.1364/OL.35.000312
  12. Gabriel C., Wittmann C., Sych D., Dong R., Mauerer W., Andersen U.L., Marquardt C., Leuchs G. A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states // Nature Photonics. 2010. V. 4. N 10. P. 711–715. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.197
  13. Zheng Z., Zhang Y., Huang W., Yu S., Guo H. 6 Gbps real-time optical quantum random number generator based on vacuum fluctuation // Review of Scientific Instruments. 2019. V. 90. N 4. P. 043105. https://doi.org/10.1063/1.5078547
  14. Haw J.Y., Assad S.M., Lance A.M., Ng N.H.Y., Sharma V., Lam P.K., Symul T. Maximization of extractable randomness in a quantum random-number generator // Physical Review Applied. 2015. V. 3. N 5. P. 054004. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.3.054004
  15. Nguimdo R.M., Verschaffelt G., Danckaert J., Leijtens X., Bolk J., Van der Sande G. Fast random bits generation based on a single chaotic semiconductor ring laser // Optics Express. 2012. V. 20. N 27. P. 28603–28613. https://doi.org/10.1364/OE.20.028603
  16. Sciamanna M., Shore K.A. Physics and applications of laser diode chaos // Nature Photonics. 2015. V. 9. N 3. P. 151–162. https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.326
  17. Kanter I., Aviad Y., Reidler I., Cohen E., Rosenbluh M. An optical ultrafast random bit generator // Nature Photonics. 2010. V. 4. N 1. P. 58–61. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.235
  18. Gies C., Reitzenstein S. Quantum dot micropillar lasers // Semiconductor Science and Technology. 2019. V. 34. N 7. P. 073001. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab1551
  19. Erneux T., Viktorov E.A., Mandel P. Time scales and relaxation dynamics in quantum-dot lasers // Physical Review A. 2007. V. 76. N 2. P. 023819. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.76.023819
  20. Lang R., Kobayashi K. External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1980. V. 16. N 3. P. 347–355. https://doi.org/10.1109/JQE.1980.1070479
  21. Holzinger S., Schneider C., Höfling S., Porte X., Reitzenstein S. Quantum-dot micropillar lasers subject to coherent time-delayed optical feedback from a short external cavity // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 631. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36599-3
  22. Kreinberg S., Porte X., Schicke D., Lingnau B., Schneider C., Höfling S., Kanter I., Lüdge K., Reitzenstein S. Mutual coupling and synchronization of optically coupled quantum-dot micropillar lasers at ultra-low light levels // Nature Communications. 2019. V. 10. N 1. P. 1539. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09559-2
  23. Kozyreff G., Vladimirov A.G., Mandel P. Global coupling with time delay in an array of semiconductor lasers // Physical Review Letters. 2000. V. 85. N 18. P. 3809–3812. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.3809
  24. Alfaro-Bittner K., Barbay S., Clerc M.G. Pulse propagation in a 1D array of excitable semiconductor lasers // Chaos. 2020. V. 30. N 8. P. 083136. https://doi.org/10.1063/5.0006195
  25. Kho Ang S. NIST Randomness Testsuit [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/stevenang/randomness_testsuite, свободный. Яз. англ. (дата обращения:01.09.2021).


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика