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

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21686009
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 内田 淳史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50327996)
• キーワード: 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

研究概要

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。
昨年度までに75Gb/sでの乱数生成速度が達成されており、本年度は半導体レーザカオスを用いた物理乱数生成器のさらなる高速化を行った。2つの半導体レーザを一方向に結合して波長差を調整することにより、カオス波形の周波数帯域拡大を達成した。周波数帯域されたカオス信号を用いて、マルチビット乱数生成およびビット順反転処理により乱数生成を行ったところ、最高で400Gb/s(50GS/s×8ビット)の生成速度での物理乱数生成実験に成功した。本方式ではビット順反転処理を適用することにより、従来用いられていた下位ビット切り出しを行う必要が無く、8ビットを全て乱数生成に使用できる点が優れている。また理論的進展として、半導体レーザカオスを用いた物理乱数生成の非再現性の評価を行った。ノイズ強度と初期状態記憶時間の関係からエントロピー生成率の算出を行い、半導体レーザカオスを用いることで1Gb/s以上のエントロピー生成率が得られていることが明らかとなった。

研究成果

• [雑誌論文] セキュリティネットワークを支える物理乱数生成技術[III]-レーザカオスを用いた超高速物理乱数生成器の最新動向 (2012)
  • 著者名/発表者名: 内田淳史
  • 雑誌名: 電子情報通信学会誌 巻: Vol.95, No.1 ページ: 74-80
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of entropy rate in a fast physical random-bit generator using a chaotic semiconductor laser with intrinsic noise (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Mikami, K.Kanno, K.Aoyama, A.Uchida, T.Ikeguchi, T.Harayama, S.Sunada, K.Arai, K.Yoshimura, P.Davis
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: Vol.85 ページ: 016211-1-016211-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.85.016211
  • 査読あり
• [雑誌論文] Secure key distribution using correlated randomness in lasers driven by common random light (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Yoshimura, J.Muramatsu, P.Davis, T.Harayama, H.Okumura, S.Morikatsu, H.Aida, A.Uchida
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: Vol.108 ページ: 070602-1-070602-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.070602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Random optical pulse generation with bistable semiconductor ring lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Sunada, T. Harayama, K. Arai, K. Yoshimura, K. Tsuzuki, A. Uchida, P. Davis
  • 雑誌名: Optics Express 巻: Vol.19, No.8 ページ: 7439-7450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation of orthogonal codes with chaotic optical systems (2011)
  • 著者名/発表者名: D.Rontani, A.Locquet, M.Sciamanna, D.S.Citrin, A.Uchida
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: Vol.36, No.12 ページ: 2287-2289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reliability and synchronization in a delay-coupled neuronal network with synaptic plasticity (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Perez, A.Uchida
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: Vol.83 ページ: 061915-1-061915-6
  • DOI: 10.1103/PhysEevE.83.061915
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光のランダム現象を応用した超高速物理乱数生成器の研究開発の最新動向 (2011)
  • 著者名/発表者名: 内田淳史
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: Vol.39, No.7 ページ: 508-514
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間遅延した戻り光を有する半導体レーザーの複雑性解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 菅野円隆、内田淳史
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: Vol.39, No.7 ページ: 543-549
  • 査読あり
• [雑誌論文] 共通ランダム位相変調光による半導体レーザーの同期 (2011)
  • 著者名/発表者名: 吉村和之、内田淳史、デイビスピーター、村松純、原山卓久、砂田哲
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: Vol.39, No.7 ページ: 520-524
  • 査読あり
• [学会発表] 結合半導体レーザにおけるコンシステンシーと複雑性解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 菅野円隆、内田淳史
  • 学会等名: 2012年春季 第59回 応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 早稲田大学(新宿、東京)
  • 年月日: 20120315-20120318
• [学会発表] ランダム位相変調光で駆動された半導体レーザ間の共通信号入力同期実験 (2012)
  • 著者名/発表者名: 会田裕貴、小泉勇人、内田淳史、吉村和之、デイビスピーター
  • 学会等名: 2012年春季 第59回 応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 早稲田大学(新宿、東京)
  • 年月日: 20120315-20120318
• [学会発表] Local Lyapunov exponents in semiconductor lasers with time-delayed optical feedback (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Kanno, A.Uchida
  • 学会等名: Dynamics Days 2012
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 20120104-20120107
• [学会発表] Experiment on common-signal-induced synchronization in semiconductor lasers driven by a constant-amplitude random-phase signal (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Aida, H.Okumura, M.Arahata, H.Koizumi, A.Uchida, K.Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: Dynamics Days 2012
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 20120104-20120107
• [学会発表] Fast random number generation with chaotic semiconductor lasers (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Akizawa, T.Yamazaki, A.Uchida
  • 学会等名: Dynamics Days 2012
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 20120104-20120107
• [学会発表] Ultra-fast random number generation with chaotic lasers (Invited talk) (2011)
  • 著者名/発表者名: A.Uchida
  • 学会等名: International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2011 (IS-PALD2011)
  • 発表場所: Tainan, Taiwan
  • 年月日: 20111207-20111208
• [学会発表] 注入電流変化におけるブロードエリア半導体レーザーの時空カオス現象 (2011)
  • 著者名/発表者名: 森勝進一朗、内田淳史
  • 学会等名: Optics & Photonics Japan 2011、日本光学会年次学術講演会
  • 発表場所: 大阪大学(大阪)
  • 年月日: 20111128-20111130
• [学会発表] 戻り光を有する半導体レーザにおける局所的リアプノフ指数の評価 (2011)
  • 著者名/発表者名: 菅野円隆、内田淳史
  • 学会等名: 電子情報通信学会 非線形問題研究会
  • 発表場所: 宮古島マリンターミナル(宮古島、沖縄)
  • 年月日: 20111109-20111111
• [学会発表] 半導体レーザにおける相関ランダム現象を用いた秘密鍵配送実験 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小泉勇人、森勝進一朗、会田裕貴、荒幡真也、内田淳史、吉村和之、村松純、デイビスピーター
  • 学会等名: 電子情報通信学会 非線形問題研究会
  • 発表場所: 宮古島マリンターミナル(宮古島、沖縄)
  • 年月日: 20111109-20111111
• [学会発表] 光デバイスにおける相関ランダム現象を用いた秘密鍵配送 (2011)
  • 著者名/発表者名: 吉村和之、村松純、デイビスピーター、内田淳史、原山卓久
  • 学会等名: 電子情報通信学会 非線形問題研究会
  • 発表場所: 宮古島マリンターミナル(宮古島、沖縄)
  • 年月日: 20111109-20111111
• [学会発表] Complexity analysis in optically-coupled chaotic semiconductor lasers with consistency (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Kanno, A.Uchida
  • 学会等名: Frontiers in Optics 2011
  • 発表場所: San Jone, California, USA
  • 年月日: 20111016-20111020
• [学会発表] Fast physical random number generation with bandwidth enhancement of chaotic semiconductor lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yamazaki, Y.Akizawa, A.Uchida, T.Harayama, S.Sunada,K.Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: Frontiers in Optics 2011
  • 発表場所: San Jone, California, USA
  • 年月日: 20111016-20111020
• [学会発表] Post-processing method for fast random number generation with chaotic semiconductor lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Akizawa, T. Yamazaki, A. Uchida
  • 学会等名: Frontiers in Optics 2011
  • 発表場所: San Jone, California, USA
  • 年月日: 20111016-20
• [学会発表] 半導体レーザによるランダム位相変調光を用いた共通ノイズ同期実験 (2011)
  • 著者名/発表者名: 会田裕貴、奥村悠、荒幡真也、小泉勇人、内田淳史、吉村和之、デイビスピーター
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2011年ソサイエティ大会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌、北海道)
  • 年月日: 20110913-20110916
• [学会発表] ブロードエリアレーザにおける時空カオスとダイナミクス (2011)
  • 著者名/発表者名: 森勝進一朗、内田淳史
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2011年ソサイエティ大会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌、北海道)
  • 年月日: 20110913-20110916
• [学会発表] 半導体レーザカオスを用いた物理乱数生成の後処理による高速化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 秋澤康裕、山崎泰基、内田淳史、原山卓久、砂田哲、新井賢一、吉村和之、デイビスピーター
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2011年ソサイエティ大会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌、北海道)
  • 年月日: 20110913-20110916
• [学会発表] Consistency and complexity in coupled semiconductor lasers with time-delayed optical feedback (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Kanno, A.Uchida
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Post-processing method for fast random bit generation with semiconductor lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Akizawa, T.Yamazaki, A.Uchida, T.Harayama, S.Sunada, K.Arai, K.Yoshimura, P. Davis
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Estimation of entropy rate for random bit generators with chaotic semiconductor lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Mikami, K.Kanno, K.Aoyama, A.Uchida, T.Harayama, S.Sunada, K.Arai, K.Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Experiment on fast physical random bit generation with bandwidth-enhanced chaotic semiconductor lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yamazaki, Y.Akizawa, S.Morikatsu, H.Aida, A.Uchida, T. Harayama, S.Sunada, K.Arai, K.Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Experiment on common-signal-induced synchronization with constant-amplitude random-phase drive signal (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Aida, H.Okumura, M.Arahata, H.Koizumi, A.Uchida, K.Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Synchronization of semiconductor lasers driven by common optical injection with constant-amplitude and random-phase modulation (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Yoshimura, A.Uchida, P.Davis, J.Muramatsu, T.Harayama, S.Sunada
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] On-chip chaos lasers for fast non-deterministic random bit generation (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Sunada, T.Harayama, K.Arai, K.Yoshimura, P.Davis, K.Tsuzuki, A.Uchida
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Multiplexed communications with chaotic optoelectronic devices (2011)
  • 著者名/発表者名: D.Rontani, A.Locquet, M.Sciamanna, D.S.Citrin, A.Uchida
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Consistency and synchronization in a delay-coupled neuronal network with synaptic plasticity (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Perez, A.Uchida, C.R.Mirasso
  • 学会等名: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2011)
  • 発表場所: Kobe Industrial Promotion Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 20110904-20110907
• [学会発表] Physical random bit generator with chaotic lasers (2011)
  • 著者名/発表者名: A.Uchida, T.Yamazaki, Y.Akizawa, T.Harayama, S.Sunada, K. Yoshimura, P.Davis
  • 学会等名: SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems
  • 発表場所: Snowbird, Utah, USA
  • 年月日: 20110522-20110526
• [学会発表] Evaluation of local Lyapunov exponents in semiconductor lasers with time-delayed optical feedback (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Kanno, A.Uchida
  • 学会等名: 2011 Kyoto Workshop on NOLTA
  • 発表場所: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2011-11-30
• [学会発表] Spatiotemporal chaos in a broad-area semiconductor laser with distributed injection current (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Morikatsu, A.Uchida
  • 学会等名: 2011 Kyoto Workshop on NOLTA
  • 発表場所: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2011-11-30
• [図書] Optical Communication with Chaotic Lasers -Applications of Nonlinear Dynamics and Synchronization- (2012)
  • 著者名/発表者名: A.Uchida
  • 総ページ数: 640
  • 出版者: Wiley VCH
• [備考]
  • URL: http://www.au.ics.saitama-u.ac.jp/