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A Scalable Design for Photonic Quantum Random Number Generation.

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Bharadwaj, Shashwath Shankar (2021). A Scalable Design for Photonic Quantum Random Number Generation. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 108 p.

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Résumé

Le caractère aléatoire est l'une des propriétés fondamentales de la nature. Il est largement répandu dans de nombreux aspects de la vie quotidienne. Depuis l’Antiquité, plusieurs méthodes de génération de nombres aléatoires (représentant la source de l'indéterminisme) ont été explorées, prenons par exemple le premier générateur de nombres aléatoires, c'est-à-dire un dé, qui a été créé il y a des milliers d'années. Au cours des dernières années, des générateurs plus sophistiqués ont été développés en raison des exigences complexes des applications modernes telles qu’en cryptographie, en communications et en simulation. Poussés par les progrès des industries des semi-conducteurs et de l'informatique, de nombreux dispositifs physiques ont été créés au cours des 70 dernières années. Il est maintenant possible de produire des nombres aléatoires pouvant correspondre aux vitesses de fonctionnement des ordinateurs. Les générateurs aléatoires classiques sont largement utilisés dans les applications scientifiques et technologiques de pointe, ainsi que dans des domaines tels que le sport et la loterie. Bien que les performances de ces dispositifs classiques soient suffisantes pour les besoins actuels, l'émergence rapide des technologies quantiques menace sérieusement leurs fonctionnalités ainsi que l'intégrité des protocoles utilisés. En exploitant un paradigme informatique fondamentalement différent, les systèmes quantiques peuvent nuire au fonctionnement de nombreux protocoles machines et logiciels tels que les générateurs de nombres aléatoires classiques, l'algorithme Rivest-Shamir-Adleman, les méthodes cryptographiques, etc. Ces protocoles sont d’une grande importance dans le secteur des banques, des finances et de la défense. Afin de faire face à cette menace, il serait possible de concevoir et de déployer des générateurs de nombres aléatoires quantiques (QRNG) véritablement indéterministes. Ces systèmes quantiques ont été étudiés comme générateurs de nombres aléatoires pendant de nombreuses décennies. Alors que les études initiales utilisaient des systèmes radioactifs afin d’explorer théoriquement le caractère aléatoire, des études récentes se sont concentrées sur les plateformes optiques et photoniques en raison de leurs nombreux avantages. Elles offrent, en outre, de multiples degrés de liberté, une facilité d'intégration et d'utilisation en communications, etc. De récentes études telles que « Quantum Supremacy » et « Quantum Advantage » effectuées par des sociétés comme Google ont mis en valeur la puissance potentielle des machines quantiques, signalant le besoin urgent des QRNGs, dont la sécurité a déjà été démontrée, et qui peuvent être utilisés et déployés dans diverses applications pratiques. Les recherches actuelles ont tenté d’optimiser deux paramètres de performance, à savoir le débit (vitesse de l'appareil) et la qualité du caractère aléatoire réel (sécurité de l'appareil). Par conséquent, les méthodes actuelles peuvent être classées en trois catégories, soit a) les configurations d'appareils de confiance qui obtiennent un débit binaire rapide, mais une qualité aléatoire médiocre, b) les configurations dites autotestées qui obtiennent une bonne qualité, mais des débits extrêmement lents et c) les appareils semi-autotestés qui maintiennent un compromis entre ces deux paramètres. Par conséquent, une recherche active est en cours pour réaliser un générateur idéal pouvant fournir à la fois un débit binaire et un degré de confiance élevé. Cependant, les méthodes actuelles pour améliorer les QRNGs nécessitent généralement une modification complète du système ainsi que le remplacement de composants couteux. Ces problèmes découlent des deux stratégies principalement utilisées lors de la conception. D’une part, il est possible d’augmenter la dimensionnalité de la mesure, afin d'améliorer le nombre de bits aléatoires possibles par photon. D’autre part, il est aussi possible d’utiliser des composants clés ayant une meilleure performance tels que des sources ayant une probabilité plus faible de générer des états multiphotons ou des détecteurs ayant une meilleure résolution et des temps morts plus courts. Toutefois, cette dernière option est difficile à réaliser en raison des limitations des sciences des matériaux, des techniques de fabrication et de la compatibilité des différents composants. De plus, étant donné que ces designs sont très différents dans leur conception, il est difficile de les comparer et donc de déterminer lequel offre de meilleures performances dans une application spécifique. Afin de résoudre ces problèmes, à travers les travaux menés dans cette thèse, nous introduisons une entropie d'information minimale par bit comme paramètre de conception important pour les QRNGs. Cette mesure sert de métrique universelle à travers la conception de QRNGs pour déterminer la quantité maximale et pratique pour laquelle le caractère aléatoire d'un appareil donné peut être utilisé pour générer des bits. Nous implémentons ensuite un QRNG de type temporel pour lequel l'efficacité de la génération de bits aléatoires peut être augmentée en plaçant en cascade un nombre croissant de diviseurs de faisceau fibrés, le tout en augmentant de manière minimale la complexité de la configuration. En utilisant comme signal un laser atténué et une source de photons intriqués, nous montrons expérimentalement que le caractère aléatoire peut être mis à l'échelle, conformément à la théorie. En fonction de la qualité des sources et des détecteurs, nous montrons que le caractère aléatoire peut être augmenté de 3% à 30%. De plus, dans notre montage, le laser atténué montre une entropie minimale par bit beaucoup plus grande par rapport à notre source de photons intriqués. Cela suggère qu’il existe un avantage potentiel à utiliser des sources laser plus simples et disponibles sur le marché afin de générer des nombres aléatoires élevés dans des QRNGs de confiance de type temporel. De plus, puisque les performances de ce design sont compatibles avec différentes sources utilisées, cette méthode pourrait être adaptée en tant que mécanisme universel de mise à l'échelle des paramètres de n'importe quel QRNGs. Compte tenu de la simplicité, de l'interopérabilité de sa conception et du cout minimal nécessaire à l’optimisation de l'appareil, ce schéma et ses itérations futures pourraient accélérer le développement des générateurs de nombres aléatoires photoniques pour les applications commerciales.

Abstract

Randomness is one of the most fundamental properties of nature which is widely prevalent in many aspects of day-to-day life. Methods to produce random numbers (representing the source of indeterminism) have been explored since ancient times, as evidenced by the first random number generators (i.e.,dice), which were created thousands of years ago. In recent times, more sophisticated generators have been developed due to the complex requirements of modern applications like cryptography, communications, and simulations. Driven by advances in the semiconductor and computing industries, many physical devices have been created over the last 70 years, which can produce random numbers at a rate that can match the operating speeds of electronic computers. As such, electronic generators are widely used in state-of-the-art scientific and technological applications as well as in less critical fields like sports and lottery. While the performance of these classical devices are sufficient for current requirements, with the rapid advancement in the state of emerging quantum technologies, there exists a serious threat to their functionalities as well as the integrity of protocols that employ them. By exploiting a fundamentally different paradigm of computing, quantum systems can undermine the working of many critical hardware and software protocols such as classical random number generators, the Rivest Shamir-Adleman algorithm, cryptographic methods etc. These are extensively used in sensitive sectors like banking, finance and defence. To address this threat, truly indeterministic Quantum Random Number Generators (QRNGs) can be designed and deployed. Quantum systems have been studied for use as random number generators for many decades. While the initial studies used radioactive systems for a theoretical exploration of randomness, more recent realizations have focused on optics and photonics platforms owing to their numerous advantages like multiple degrees of freedom, ease of integration, use in communications etc. Recent demonstrations of “Quantum Supremacy” and “Quantum Advantage” by companies like Google, which showcase the potential strength of even short-term quantum machines, signal the urgent need for demonstrably secure, and practically usable QRNGs that can be deployed in various applications. Current research in this direction optimizes for two performance parameters, namely the bitrate (speed of the device) and certification of genuine randomness (security of the device). Consequently, current methods can be classified into three categories, i.e. a) trusted-device configurations which achieve a fast bitrate but poor certification, b) self-testing configurations which achieve good certification but extremely slow rates and c) semi self-testing devices which maintain a trade-off between the two parameters. Hence, active research is being undertaken to realize an ideal generator that can provide both a high bitrate and a high degree of trust. However, current methods to improve QRNGs typically require a complete re-design of the system along with costly component upgrades. This is primarily because of design strategies which focus on increasing the measurement dimensionality (in order to augment the possible random bits per photon) and/or using key components with better performance (such as sources with lower likelihood of multiphoton generation, and detectors with higher resolution and lower dead times), which are difficult to accomplish due to challenges in material sciences, fabrication techniques and compatibility of different components. Furthermore, since these schemes are widely different in their designs, it is tough to compare them and thus determine which is truly best for use in a specific application. To address these issues, through the work carried out in this thesis, we introduce minimum information entropy per bit as an important design parameter for photonic QRNGs. This serves as a universal metric across QRNG designs to determine the maximum and practical amount for which a given device’s randomness can be used to generate bits. We then implement a temporal mode QRNG for which the efficiency of random bit generation can be scaled-up by cascading an increasing number of fiber-based beam splitters, while minimally increasing setup complexity. Using an attenuated laser signal and a source of entangled photons, we experimentally show that the randomness can be scaled, consistently with theory. Depending on the quality of the sources and detectors, we show that randomness can be increased anywhere from 3%-30%. Furthermore, in our implementation, the attenuated laser shows much larger minimum entropy per bit compared to our entangled photon pair source. This suggests a potential advantage in using simpler, off-the-shelf laser sources for high random number generation rates in trusted device temporal mode QRNGs. Additonally, since the performance of this scheme is consistent with different sources, this method can be adapted as a universal mechanism to scale the parameters of any QRNG. Given the simplicity and interoperability of its design and minimal cost for improving device performances, this scheme and its extensions could accerelate the development of photonic random number generators for commercial applications.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto
Mots-clés libres: génération de nombres aléatoires; optique quantique; information quantique; photonique quantique; random number generation; quantum optics; quantum information; quantum photonics
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 15 oct. 2021 18:25
Dernière modification: 15 oct. 2021 18:25
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12048

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