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2013 Fiscal Year Annual Research Report

レーザのカオス現象を用いた物理乱数生成器の高速化と小型化

Research Project

Project/Area Number 24686010
Research InstitutionSaitama University

Principal Investigator

内田 淳史  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50327996)

Project Period (FY) 2012-04-01 – 2016-03-31
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

ランダムな数列を生成する乱数生成器は、情報セキュリティ分野や自然災害予測のための大規模数値シミュレーション分野に必要不可欠な基盤技術である。しかしながらコンピュータで生成される擬似乱数を用いた場合、安全性の脅威や予測精度の低下が近年大きな問題となっている。そこで本研究では、レーザの高速性とカオスの不規則性を利用した超高速物理乱数生成器の開発を行い、実用化へ向けた高速化および小型化を達成することを目的とする。特に世界最速となる1秒間に1兆個(毎秒1テラビット)の生成速度を有する超高速物理乱数生成器の開発と、光集積回路および後処理用電子回路を実装した超高速物理乱数生成用ボードの開発を行う。
本年度は、半導体レーザにて発生するカオスを用いた物理乱数生成および高速化のための後処理方式の開発を行った。カオス波形とその時間遅延波形をマルチビットサンプリングし、8ビットデジタル信号へと変換する。一方のビット列に対して上位ビットを下位ビットへと置換するビット順反転処理を行い、これと元のビット列との排他的論理和演算を行うことで、高品質な乱数の生成に成功した。さらに2値乱数列の1の出現頻度を調査したところ、上位ビットと下位ビットに出現頻度の偏りが発生していることを発見した。本後処理方式により出現頻度の偏りを低減させることが可能となり、レーザカオス波形に対する本手法の有効性を示した。
さらに乱数生成用光集積回路における非線形ダイナミクスの実験的調査と物理乱数生成実験を行った。半導体レーザの注入電流および戻り光強度を変化させると、周期振動や準周期振動、さらにはカオスが観測された。また低周波不規則振動や間欠性状態も観測された。このカオス振動を用いて乱数生成を行ったところ、国際標準の乱数統計検定に合格する乱数の作成に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究は当初計画通り順調に進展している。乱数の高速化に関しては後処理方式の開発に成功しており、今後は高速化の実証実験を行う予定である。また乱数生成器の小型化に関しても、光集積回路を用いた乱数生成実験に既に成功している。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究計画としては、乱数生成速度の高速化のためのレーザカオスの帯域拡大実験を行う予定である。複数のレーザを組み合わせることで、カオスの帯域を向上させることが可能である。本実験に乱数生成用後処理を組み合わせることで、乱数生成の高速化が実現可能となる。さらに光集積回路を用いた乱数生成実験を継続して行う予定である。また、複数の半導体レーザを搭載した光集積回路における非線形ダイナミクスの調査や乱数生成実験も行う。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

本年度購入予定であった帯域拡大実験に関する計測機器および光学機器の購入を、次年度へ変更したためである。また本年度補助金にて購入した電気信号増幅器が予定よりも安価であったためである。
次年度には補助金と助成金を合わせて、帯域拡大実験に関する計測機器の購入を予定している。また当初計画通り、光学部品の購入も計画している。

  • Research Products

    (30 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (25 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Finite-time Lyapunov exponents in time-delayed nonlinear dynamical systems2014

    • Author(s)
      K. Kanno and A. Uchida
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 89 Pages: 032918-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.89.032918

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Performance of random number generators using noise-based superluminescent diode and chaos-based semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      T. Yamazaki and A. Uchida
    • Journal Title

      IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics

      Volume: 19 Pages: 0600309

    • DOI

      10.1109/JSTQE.2013.2246777

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Information-theoretic secure key distribution based on common random-signal induced synchronization in unidirectionally-coupled cascades of semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      H. Koizumi, S. Morikatsu, H. Aida, T. Nozawa, I. Kakesu, A. Uchida, K. Yoshimura, J. Muramatsu, and P. Davis
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 21 Pages: 17869-17893

    • DOI

      10.1364/OE.21.017869

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bounded Observability に基づく秘密鍵配送2013

    • Author(s)
      村松 純、吉村 和之、デイビス ピーター、内田 淳史、原山 卓久
    • Journal Title

      応用数理

      Volume: 23 Pages: 11-20

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 広帯域ノイズ光を用いた半導体レーザの共通信号入力同期実験2014

    • Author(s)
      樋田 拓也、鈴木 頌允、菅野 円隆、内田 淳史、吉村 和之、新井 賢一
    • Organizer
      電子情報通信学会 2014年総合大会
    • Place of Presentation
      新潟大学、新潟
    • Year and Date
      20140318-20140321
  • [Presentation] ブロードエリア半導体レーザにおける多重空間モードの位相ダイナミクス2014

    • Author(s)
      荒幡 真也、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 2014年総合大会
    • Place of Presentation
      新潟大学、新潟
    • Year and Date
      20140318-20140321
  • [Presentation] 共通信号入力同期した半導体レーザーカオスにおける過渡状態のリアプノフ指数の算出2014

    • Author(s)
      菅野 円隆、内田 淳史
    • Organizer
      レーザー学会研究会、レーザーのカオス・ノイズ・ダイナミクスとその応用
    • Place of Presentation
      東京理科大学、東京
    • Year and Date
      20140228-20140228
  • [Presentation] ブロードエリア半導体レーザーにおける位相ダイナミクスの周波数依存性2014

    • Author(s)
      荒幡 真也、内田 淳史
    • Organizer
      レーザー学会研究会、レーザーのカオス・ノイズ・ダイナミクスとその応用
    • Place of Presentation
      東京理科大学、東京
    • Year and Date
      20140228-20140228
  • [Presentation] 低周波不規則振動で同期した半導体レーザカオスにおけるLeader-Laggard関係の定常解解析2014

    • Author(s)
      菅野 円隆、樋田 拓也、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Place of Presentation
      ニセコパークホテル、北海道
    • Year and Date
      20140121-20140122
  • [Presentation] 半導体レーザカオス発生用光集積回路を用いた物理乱数生成2013

    • Author(s)
      高橋 里枝、秋澤 康裕、内田 淳史、原山 卓久、都築 健、砂田 哲、吉村 和之、新井 賢一、デイビス ピーター
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2013、日本光学会年次学術講演会
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良
    • Year and Date
      20131112-20131114
  • [Presentation] 一方向結合された三つの半導体レーザーによる帯域拡大カオスを用いた高速物理乱数生成実験2013

    • Author(s)
      櫻庭 良佑、菅野 円隆、岩川 健人、内田 淳史
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2013、日本光学会年次学術講演会
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良
    • Year and Date
      20131112-20131114
  • [Presentation] カスケード接続された半導体レーザーにおける共通ランダム信号入力同期を用いた秘密鍵配送実験2013

    • Author(s)
      掛巣 和泉、小泉 勇人、森勝 進一朗、会田 裕貴、野澤 隆宏、内田 淳史、吉村 和之、村松 純、デイビス ピーター
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2013、日本光学会年次学術講演会
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良
    • Year and Date
      20131112-20131114
  • [Presentation] Bandwidth enhancement of chaos in three cascaded semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      R. Sakuraba, K. Kanno, K. Iwakawa, and A. Uchida
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] Statistical evaluation of correlation for physical random number generation with chaotic semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      K. Iwakawa, K. Kanno, R. Sakuraba, Y. Akizawa, and A. Uchida
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] Secure key distribution using common-signal-induced synchronization in cascaded semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      I. Kakesu, H. Koizumi, S. Morikatu, H. Aida, T. Nozawa, A. Uchida, K. Yoshimura, J. Muramatsu, and P. Davis
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] Complexity and frequency bandwidth in unidirectionally-coupled semiconductor lasers with optical feedback2013

    • Author(s)
      K. Kanno and A. Uchida
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] Physical random number generation using photonic integrated circuit with mutually-coupled semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      R. Takahashi, Y. Akizawa, A. Uchida, T. Harayama, K. Tsuzuki, S. Sunada, K. Yoshimura, K. Arai, and P. Davis
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] Antiphase dynamics of multi-transverse modes in broad-area semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      M. Arahata, and A. Uchida
    • Organizer
      Frontiers in Optics 2013
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida, USA
    • Year and Date
      20131006-20131010
  • [Presentation] 多段化された半導体レーザにおける共通ランダム信号入力同期を用いた相関乱数暗号鍵生成実験2013

    • Author(s)
      掛巣 和泉、小泉 勇人、森勝 進一郎、会田 裕貴、野澤 隆宏、内田 淳史、吉村 和之、村松 純、デイビス ピーター
    • Organizer
      電子情報通信学会 2013年ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      福岡工業大学、福岡
    • Year and Date
      20130917-20130920
  • [Presentation] 相互結合された半導体レーザを有する光集積回路における物理乱数生成実験2013

    • Author(s)
      高橋 里枝、秋澤 康裕、内田 淳史、原山 卓久、都築 健、砂田 哲、吉村 和之、新井 賢一、デイビス ピーター
    • Organizer
      電子情報通信学会 2013年ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      福岡工業大学、福岡
    • Year and Date
      20130917-20130920
  • [Presentation] 一方向結合された3つの半導体レーザを用いたカオス周波数帯域拡大実験2013

    • Author(s)
      櫻庭 良佑、菅野 円隆、岩川 健人、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 2013年ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      福岡工業大学、福岡
    • Year and Date
      20130917-20130920
  • [Presentation] 半導体レーザカオスを用いた物理乱数の相関の統計的評価2013

    • Author(s)
      岩川 健人、菅野 円隆、櫻庭 良佑、秋澤 康裕、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 2013年ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      福岡工業大学、福岡
    • Year and Date
      20130917-20130920
  • [Presentation] ブロードエリア半導体レーザの横モード間における反位相ダイナミクスの実験的観測2013

    • Author(s)
      荒幡 真也、内田 淳史
    • Organizer
      2013年秋季 第74回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      同志社大学、京都
    • Year and Date
      20130916-20130920
  • [Presentation] Estimation of maximum Lyapunov exponent using generalized synchronization in semiconductor lasers with optical feedback2013

    • Author(s)
      K. Kanno and A. Uchida
    • Organizer
      Proceedings of 2013 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • Place of Presentation
      Santa Fe, USA
    • Year and Date
      20130908-20130911
  • [Presentation] Synchronization of semiconductor lasers by injection of common broadband random light2013

    • Author(s)
      K. Yoshimura, J. Muramatsu, K. Arai, S. Shinohara, and A. Uchida
    • Organizer
      Proceedings of 2013 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • Place of Presentation
      Santa Fe, USA
    • Year and Date
      20130908-20130911
  • [Presentation] Noise effects on generalized chaos synchronization in semiconductor lasers2013

    • Author(s)
      K, Arai, S. Shinohara, S. Sunada, K. Yoshimura, T. Harayama, and A. Uchida
    • Organizer
      Proceedings of 2013 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • Place of Presentation
      Santa Fe, USA
    • Year and Date
      20130908-20130911
  • [Presentation] 外部共振器を有するカオス発生用光集積回路による高速物理乱数生成2013

    • Author(s)
      高橋 里枝、秋澤 康裕、山崎 泰基、内田 淳史、原山 卓久、都築 健、砂田 哲、吉村 和之、新井 賢一、デイビス ピーター
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Place of Presentation
      宮古島マリンターミナル、沖縄
    • Year and Date
      20130708-20130709
  • [Presentation] 双方向に光結合された半導体レーザの遅延カオス同期における Leader-Laggard 関係の自発的スイッチング2013

    • Author(s)
      樋田 拓也、菅野 円隆、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Place of Presentation
      宮古島マリンターミナル、沖縄
    • Year and Date
      20130708-20130709
  • [Presentation] 戻り光を有する半導体レーザにおける一般化同期を用いたリアプノフ指数の算出2013

    • Author(s)
      菅野 円隆、内田 淳史
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Place of Presentation
      宮古島マリンターミナル、沖縄
    • Year and Date
      20130708-20130709
  • [Remarks] 埼玉大学 内田研究室

    • URL

      http://www.au.ics.saitama-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2015-05-28  

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