Vi presenterar en slumpmässig talgenerering som använder bredbandsmätningar av vakuumfältet som finns i radiofrekvenssidebanden i en enstegslaser. Även om mätningarna kan innehålla tekniskt buller, visar vi att lämpliga algoritmer kan omvandla de digitaliserade fotoströmmarna till en sträng av slumpmässiga tal som kan göras godtyckligt korrelerade till en delmängd av kvantfluktuationerna (High Quantum Correlation regim) eller godtyckligt immun mot miljöfluktuationer (High Environmental Immunity). Vi demonstrerar upp till 2 Gbps av realtid slumptalsgenerering som verifierades med hjälp av standard randomness tester. Tillförlitliga och opartiska slumptal (RN) behövs för en rad tillämpningar som sträcker sig från numerisk modellering till kryptografisk kommunikation. Med de många förbättringar i kvantnyckeldistribution (QKD) protokoll 1,2, snabb och tillförlitlig RN generation är nu ett av de viktigaste tekniska hinder för höghastighets QKD. Även om det finns algoritmer som kan generera pseudo-RNs, kan de aldrig vara helt slumpmässiga eller odeterministiska. Sann RN från fysiska processer kan erbjuda en säker eldlösning. Flera fysiska RN generation system har föreslagits och visat 3-5, inklusive system baserade på enstaka foton upptäckter 6-11. Hastighetsgränsen för dessa system ligger i fotonräknarenas dödtid. En alternativ kvant approach till fotonräkning är att använda vakuumfluktuationer i ett elektromagnetiska fält för RN generation 12, 13. I denna bokstav visar vi ett enkelt system för att mäta och omvandla vakuum fältfluktuationer till RNS. Schemat för kvantum RN-generatorn visas i bild. 1................................................................ En enstegs laserstråle vid 1550 nm används som ljuskälla. Några mW ljus delas upp i två lika intensiva strålar och upptäcks av ett par fotodetektorer i ett balanserat homodyneschema. När det genomsnittliga laserfältets amplitud α är betydligt större än vakuumfältets fluktuation är den subtraherade fotoströmmen från de två detektorerna proportionell mot αX v (ί), där X v är vakuumfältets kvadraturamplitud. Den balanserade homodyne setup mäter därför den förstärkta quadrature amplituden av vakuumfältet fluktuationer. Endast sidobandsfrekvenser som ligger långt över laserns tekniska bullerfrekvenser används för RN-generering (skärmad region för radiofrekvensspektrumet (RF) av bild. 1 a)............................................................................................................ Detta uppnås genom demodulering av fotoström med en RF-frekvens (1,6 GHz) följt av ett lågpassfilter. De ovulationer i spektra beror på icke-uniform RF elektronisk vinst i fotodetektorer förstärkning stadier (Fig. 1 b)............................................................................................................... Ändå har kvantbullret ett konstant avstånd över den elektroniska a) Elektronisk post: Ping.Lam@anu.edu.au brusnivå 8,5 dB. Med hjälp av en fältprogrammerbar Gate Array (FPGA) kan en filterfunktion programmeras för att neutralisera den icke-uniforma elektroniska vinsten som visas i bild. 1 c............................................................................. Slutligen omvandlas kvantbullret med hjälp av lämpliga numeriska processer till en sekvens av slumpmässiga digitala bitar enligt beskrivningen i färgkoden 8-bitars i bild. 1 d.................................................................. I praktiken kan vakuumfluktuationer inte upptäckas helt isolerat. Fotodetektorns elektroniska buller kommer att placeras över de uppmätta fotoströmmarna. Även om det är rimligt att anta att kvantljudet från ett vakuumfält X v är helt slumpmässigt över alla frekvenser och inte kan manipuleras, elektroniska buller kanske inte har dessa idealiska egenskaper. För detta brev skulle vi vilja överväga två möjliga scenarier. I det första scenariot utgår vi från att det elektroniska ljudet är otämjt. Vi vill hitta ett protokoll för att generera RNS enbart från att noggrant följa kvant fluktuationer i vakuumfältet. Vi kommer att visa att i detta scenario, en 1-bitars digitaliserad kodning av vakuumfluktuationer, tillsammans med tröskel, verkligen kan tillåta godtyckligt hög kvant korrelation. I det andra scenariot utgår vi från att det elektroniska ljudet kan manipuleras och är opålitligt. Vi önskar en algoritm som kommer att generera RNs som är manipuleringssäkra, även i närvaro av eventuellt förfalskade elektroniska buller. Förutsatt att kvantbuller förblir den dominerande bullerkällan, kommer vi att visa att digitaliseringen av vakuumfluktuationerna till flera bitar, och sedan kasta de mest betydande bitarna, verkligen kan tillåta godtyckligt hög miljö immunitet. Sambanden mellan omgivningsbuller och genererade RN kan göras godtyckligt små. Vi beskriver den uppmätta signalen som X m = X v + X e, där X e motsvarar det elektroniska bruset som läggs på vakuumfluktuationerna X v (se bild. 2 a)............................................................................................................... X e och X v kan modelleras som två okorrelerade Gaussiska fördelningar av noll medelvärde och varians V e och V v, respektive. X m är också Gaussian med en villkorlig sannolikhet som ges av P (X m  på X v ) = 1 ε 2πV e − (Xm − Xv ) 2 2Ve.
Bredbandsmätningar av vakuumfältet som finns i radiofrekvenssidebanden i en enstegslaser kan också utnyttjas för slumpmässig nummergenerering REF.
Real time demonstration of high bitrate quantum random number generation with coherent laser light
{'venue': 'Appl. Phys. Lett. 98, 231103 (2011)', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Physics']}