半導体レーザにおける量子ノイズのカオス増幅効果を用いた超高速物理乱数生成

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21686009
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 内田 淳史 Saitama University, 理工学研究科, 准教授 (50327996)
• Keywords: 乱数 / 応用光学・量子光工学 / 先端機能デバイス / セキュア・ネットワーク / 情報通信工学

Research Abstract

高度情報化ネットワークにおける情報セキュリティの信頼性はランダムな信号列を生成する乱数生成器に強く依存している。従来の擬似乱数生成器は計算機内のアルゴリズムにより生成されるため乱数の予測が可能であるという致命的欠点を有しており、一方で既存の物理乱数生成方式では予測は困難なものの生成速度が遅い(数十～数百Mb/s)という問題点がある。そこで本研究では、半導体レーザにおける量子ノイズのカオス増幅効果を用いることで、Gb/sを超える生成速度を有する新たな超高速物理乱数生成方式の開発を目的とする。
戻り光を有する2つの半導体レーザにおいてカオスを発生させ、高速AD変換器で周期サンプリングすることで物理乱数生成を行った。本研究では、1.7Gb/sの生成速度での物理乱数乱数の実時間生成実験に成功した。生成した乱数列に対して統計乱数検定を適用したところ、国際標準検定に合格する十分なランダム性を有する乱数の生成が達成された。さらにAD変換器のしきい値電圧やレーザの外部共振器長の変化させることで、ランダム性の高い乱数生成条件について調査を行った。また半導体レーザカオスの帯域拡大実験を行い、10GHzを超える周波数帯域を有するカオスの生成に成功した。本成果は10Gb/s以上の生成速度での物理乱数生成方式における乱数源として利用可能である。さらに本研究で培われた高速物理乱数生成器を量子暗号通信に応用し、量子鍵配送方式の実証実験に成功した。

Research Products

• [Journal Article] Fast random bit generation with bandwidth-enhanced chaos in semiconductor lasers (2010)
  • Author(s): K.Hirano, T.Yamazaki, S.Morikatsu, H.Okumura, H.Aida, A.Uchida, S.Yoshimori, K.Yoshimura, T.Harayama, P.Davis
  • Journal Title: Optics Express vol.18, no.6 Pages: 5512-5524
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Differential-phase-shift quantum key distribution experiment using fast physical random bit generator with chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): T.Honjo, A.Uchida, K.Amano, K.Hirano, H.Someya, H.Okumura, K.Yoshimura, P.Davis, Y.Tokura
  • Journal Title: Optics Express vol.17, no.11 Pages: 9053-9061
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synchronization by injection of common chaotic signal in semiconductor lasers with optical feedback (2009)
  • Author(s): I.Oowada, H.Ariizumi, M.Li, S.Yoshimori, A.Uchida, K.Yoshimura, P.Davis
  • Journal Title: Optics Express vol.17, no.12 Pages: 10025-10034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of attenuation of HTS strip line using time-dependent-Ginzburg-Landau equation (2009)
  • Author(s): T.Shimizu, A.Uchida, S.Yoshimori
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity vol.19, no.3 Pages: 2886-2888
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 結合レーザシステムにおけるカオス同期とその情報通信応用 (2009)
  • Author(s): 内田淳史
  • Journal Title: システム/制御/情報 vol.53, no.8 Pages: 330-336
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synchronization of chaotic semiconductor lasers by optical injection with random phase modulation (2009)
  • Author(s): S.Goto, P.Davis, K.Yoshimura, A.Uchida
  • Journal Title: Optical and Quantum Electronics vol.41, no.3 Pages: 137-149
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synchronization of bandwidth-enhanced chaos in semiconductor lasers with optical feedback and injection (2009)
  • Author(s): H.Someya, I.Oowada, H.Okumura, T.Kida, A.Uchida
  • Journal Title: Optics Express vol.17, no.22 Pages: 19536-19543
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characteristics of fast physical random bit generation using chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): K.Hirano, K.Amano, A.Uchida, S.Naito, M.Inoue, S.Yoshimori, K.Yoshimura, P.Davis
  • Journal Title: IEEE Journal of Quantum Electronics vol.45, no.11 Pages: 1367-1379
  • Peer Reviewed
• [Presentation] レーザカオスを用いた高速物理乱数生成 (2010)
  • Author(s): 内田淳史
  • Organizer: 第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学、平塚、神奈川
  • Year and Date: 20100317-20100320
• [Presentation] Estimation of connectivity of nonlinear systems by partial correlation analysis (2010)
  • Author(s): 黒田香織、内田淳史、池口徹
  • Organizer: 電子情報通信学会非線形問題研究会
  • Place of Presentation: 煥章舘(岐阜県高山市図書館)、飛騨高山、岐阜
  • Year and Date: 20100121-20100122
• [Presentation] 半導体レーザカオスを用いた物理乱数発生 (2010)
  • Author(s): 内田淳史
  • Organizer: 統計数理研究所共同研究集会物理乱数・擬似乱数の発生法・検定法とその周辺
  • Place of Presentation: 統計数理研究所、立川、東京
  • Year and Date: 2010-03-12
• [Presentation] Consistency in nonlinear dynamical systems driven by chaos and noise (2010)
  • Author(s): 内田淳史
  • Organizer: Workshop on Fluctuation and Noise in Living Organisms II
  • Place of Presentation: RIKEN, Saitama, Japan
  • Year and Date: 2010-02-02
• [Presentation] 戻り光を有する半導体レーザのカオス現象を用いた超高速物理乱数生成実験 (2009)
  • Author(s): 内田淳史、平野邦仁、天野和也、山崎泰基、吉森茂、吉村和之、ピーターディビス
  • Organizer: 電子情報通信学会非線形問題研究会
  • Place of Presentation: 屋久島環境文化村センター、屋久島、鹿児島
  • Year and Date: 20091111-20091114
• [Presentation] 半導体レーザにおける光注入効果を用いた帯域拡大カオスの発生および同期 (2009)
  • Author(s): 奥村悠、染谷弘行、大和田功、貴田隆彦、会田裕貴、内田淳史
  • Organizer: 電子情報通信学会非線形問題研究会
  • Place of Presentation: 屋久島環境文化村センター、屋久島、鹿児島
  • Year and Date: 20091111-20091114
• [Presentation] Characteristics of robust random bit generation using fast chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): K.Hirano, K.Amano, A.Uchida, M.Inoue, S.Naito, S.Yoshimori, K.Yoshimura, P.Davis
  • Organizer: 2009 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA 2009)
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo Hotel, Sapporo, Japan
  • Year and Date: 20091019-20091021
• [Presentation] Synchronization of broadband chaos in semiconductor lasers with optical injection (2009)
  • Author(s): H.Okumura, A.Uchida, H.Someya, I.Oowada, T.Kida
  • Organizer: 2009 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA 2009)
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo Hotel, Sapporo, Japan
  • Year and Date: 20091019-20091021
• [Presentation] Amplification of noise in chaotic semiconductor lasers used for fast physical random bit generation (2009)
  • Author(s): K.Aoyama, A.Uchida, K.Yoshimura, P.Davis
  • Organizer: 2009 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA 2009)
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo Hotel, Sapporo, Japan
  • Year and Date: 20091019-20091021
• [Presentation] Differential-phase-shift quantum key distribution experiment using fast physical random bit generator with chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): T.Honjo, Y.Tokura, A.Uchida, H.Okumura, K.Amano, K.Hirano, H.Someya, K.Yoshimura, P.Davis
  • Organizer: The 18th International Laser Physics Workshop(LPHYS'09)
  • Place of Presentation: World Trade Center Barcelona, Barcelona, Spain
  • Year and Date: 20090713-20090717
• [Presentation] Experimental evaluation of fast random bit sequence generation using chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): A.Uchida, K.Hirano, K.Amano, M.Inoue, S.Naito, H.Someya, I.Oowada, S.Yoshimori, K.Yoshimura, P.Davis
  • Organizer: The European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference 2009(CLEO/Europe-IQEC 2009)
  • Place of Presentation: Munich ICM International Congress Centre, Munich, Germany
  • Year and Date: 20090614-20090619
• [Presentation] Fast physical random bit generator based on chaotic semiconductor lasers : Application to quantum cryptography (2009)
  • Author(s): A.Uchida, T.Honjo, K.Amano, K.Hirano, H.Someya, H.Okumura, S.Yoshimori, K.Yoshimura, P.Davis, Y.Tokura
  • Organizer: The European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference 2009(CLEO/Europe-IQEC 2009)
  • Place of Presentation: Munich ICM International Congress Centre, Munich, Germany
  • Year and Date: 20090614-20090619
• [Presentation] Experiment on fast random bit generation using chaotic semiconductor lasers (2009)
  • Author(s): A.Uchida, K.Amano, M.Inoue, K.Hirano, S.Naito, H.Someya, I.Oowada, S.Yoshimori, K.Yoshimura, P.Davis
  • Organizer: The 2nd Chaotic Modeling and Simulation International Conference(CHAOS 2009)
  • Place of Presentation: MAICh Conference Centre, Chania, Crete, Greece
  • Year and Date: 20090601-20090605
• [Remarks]
  • URL: http://www.au.ics.saitama-u.ac.jp/