Квантовый генератор случайных чисел на основе фазового шума ВИЛ и РОС-лазера

Авторы

Karina Razzhivina ¹ , Yakov Kovach ^1, ² , Anton Kovalev ¹ , Evgenii Kolodeznyi ¹

¹ Институт перспективных систем передачи данных, Университет ИТМО, Кронверкский пр., д. 49 лит. А, 197101, Санкт-Петербург, Россия

² Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Политехническая ул., д. 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия

10.17586/2687-0568-2025-7-3-148-154

Rev. Adv. Mater. Technol., 2025, vol. 7, no. 3, pp. 148–154

Аннотация

Квантовые генераторы случайных чисел (КГСЧ) являются важными компонентами для криптографии и безопасной передачи данных, однако в разрабатываемых устройствах часто необходимо искать компромисс между скоростью генерации случайных чисел, стоимостью и сложностью устройства. В данной статье представлен КГСЧ, основанный на фазовом шуме сигнала оптических биений РОС-лазера и ВИЛ, что позволяет сочетать узкую спектральную линию и стабильность РОСлазера вместе с высокой энтропией, характерной для фазового шума ВИЛ, на длине волны излучения 1550 нм. В статье описан сигнал оптических биений на выходе из представленной гибридной установки, в качестве алгоритма пост-обработки применена операция исключающее ИЛИ для подавления корреляций, достигнута скорость генерации случайных бит до 12 Гбит/с. Сгенерированные последовательности успешно прошли тесты NIST SP 800-22 при поддержании низкого смещения и высокой стабильности установки, в связи с чем такая гибридная схема может быть применена для систем квантового распределения ключей, для которых необходимы скорость и надежность устройства.

Ключевые слова

квантовые генераторы случайных чисел; ВИЛ; РОС-лазеры; фазовый шум

Ссылки

1. R. Shakhovoy, M. Puplauskis, V. Sharoglazova, A. Du- plinskiy, D. Sych, E. Maksimova, S. Hydyrova, A. Tu- machek, Y. Mironov, V. Kovalyuk, A. Prokhodtsov, G. Goltsman, Y. Kurochkin, Phase randomness in a semiconductor laser: Issue of quantum random-number generation, Phys. Rev. A, 2023, vol. 107, no. 1, art. no. 012616.
2. M.-Y. Zhu, Y. Liu, Q.-F. Yu, H. Guo, Random number generation based on polarization mode noise of vertical-cavity surface-emitting lasers, Laser Phys. Lett., 2012, vol. 9. no. 11. pp. 775-780 .
3. Y.-Q. Nie, L. Huang, Y. Liu, F. Payne, J. Zhang, J.-W. Pan, The generation of 68 Gbps quantum random number by measuring laser phase fluctuations, Rev. Sci. Instrum., 2015, vol. 86, no. 6, art. no. 063105.
4. B. Bai, J. Huang, G.-R. Qiao, Y.-Q. Nie, W. Tang, T. Chu, J. Zhang, J.-W. Pan, 18.8 Gbps real-time quantum random number generator with a photonic integrated chip. Appl. Phys, Lett., 2021, vol. 118, no. 26, art. no. 264001.
5. V. Lovic, D.G. Marangon, M. Lucamarini, Z. Yuan, A.J. Shields, Characterizing phase noise in a gain-switched laser diode for quantum random-number generation, Phys. Rev Appl., 2021, vol. 16, no. 5, art. no. 054012.
6. R.A. Shakhovoy, E.I. Maksimova, Gain-switched VCSEL as a quantum entropy source: the problem of quantum and classical noise, St. Petersburg State Polytech. Univ J. Phys. Math., 2022, vol 15, no. 3. 2, pp. 201-205 .
7. V. Mannalatha, S. Mishra, A. Pathak, A comprehensive review of quantum random number generators: Concepts, classification and the origin of randomness, Quantum Inf. Process., 2023, vol. 22, no. 12, art. no. 439.
8. M. Avesani, H. Tebyanian, P. Villoresi, G. Vallone, Semi-device-independent heterodyne-based quantum ran- dom-number generator, Phys. Rev. Appl., 2021, vol. 15, no. 3, art. no. 034034.
9. M. Huang, Z. Chen, Y. Zhang, H. Guo, A phase fluctuation based practical quantum random number generator scheme with delay-free structure, Appl. Sci., 2020, vol. 10, no. 7, art. no. 2431.
10. S.-H. Sun, F. Xu, Experimental study of a quantum ran- dom-number generator based on two independent lasers, Phys. Rev. A, 2017, vol. 96, no. 6, art. no. 062314.
11. B. Qi, Y.-M. Chi, H.-K. Lo, L. Qian, High-speed quantum random number generation by measuring phase noise of a single-mode laser, Opt. Leit., 2010, vol. 35. no. 3, pp. 312 314.
12. S. Xiang, W. Liu, X. Zhang, J. Wang, Quantum random number generation combining intensity fluctuations with phase fluctuations ofa DFB laser, in: J. Kang et al. (Eds.). Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest, Optica Publishing Group, 2021, art. no. JTu3A.154.
13. J. Liu, J. Yang, Z. Li, Q. Su, W. Huang, B. Xu, H. Guo, 117 Gbits/s quantum random number generation with simple structure, IEEE Photonics Technol, Lett., 2016, vol. 29, no. 3, pp. 283 286.
14. M. Gräfe, B. Septriani, O. de Vries, New insights on quantum random number generation (QRNG) by phase diffusion (Conference Presentation), Proc, SPIE, 2019. vol. 11134, art. no, 111340B.
15. A. Quirce, A. Valle, M. Valle-Miñón, J. Gutiérrez, Characterization of the polarization fluctuations in gain- switched VCSELs for quantum random number generation, J. Opt. Soc Am. B, 2023, vol. 41, no. 1, pp. 240-250 .
16. S.A. Blokhin, Ya.N. Kovach, M.A. Bobrov, A.A. Blokhin, A.V. Babichev, L.Ya. Karachinsky, I.I. Novikov, A.G. Gladyshev, P.E. Kopytov, D.S. Papylev, K.O. Voropaev, A.Yu. Egorov, S.-C. Tian, D. Bimberg, Energy efficiency of optical data transmission by 1.55 um range vertical-cavity surface-emitting laser with the active region based on InGaAs/InAlGaAs quantum wells in Russian.. Opticheskii Zhurnal, 2024, vol. 91, no. 12, pp. 35-45.
17. A. Rukhin, J. Soto, J. Nechvatal, M. Smid, E. Barker, S. Leigh, M. Levenson, M. Vangel, D. Banks, A. Heckert, J. Dray, S. Vo, A Statistical Test Suite for Random and Pseudorandom Number Generators for Cryptographic Applications, NIST Special Publication 800-22 Rev. 1, 2001.
18. D. Liang, J.E. Bowers, Recent progress in heterogeneous III-V-on-silicon photonic integration, Light: Adv Manuf… 2021, vol. 2, no. I, pp. 59 83.
19. Y. Zhang, Q. Du, C. Wang, T. Fakhrul, S. Liu, L. Deng, D. Huang, P. Pintus, J. Bowers, C.A. Ross, J. Hu, L. Bi, Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics, Optica, 2019. vol. 6, no. 4, pp. 473 478.

Том 7, № 3

Страницы 148-154

Файлы

текст статьи

аннотация

XML файл

История

Поступила в редакцию: 30 Мая 2025

Принята: 13 Августа 2025

Доступна онлайн: 15 Августа 2025

© 2025 ITMO University.
This is an open access article under the terms
of the CC BY-NC 4.0 license.
Metadata is available under the terms of the CC BY 4.0 license