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2012 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 24686010
研究種目

若手研究(A)

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)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2016-03-31
キーワード応用光学・量子光工学 / 乱数 / 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

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。
半導体レーザにて発生するカオスを用いることで物理乱数生成の実証実験を行った。本手法では半導体レーザに戻り光を加えてカオスを発生させ、これを光検出器にて検出・増幅し、電気信号へと変換した。
さらに電子回路によりアナログ-デジタル変換を行い0または1へと変換し、論理演算を行って2値乱数列を実験的に生成した。生成された乱数は国際標準の統計検定に全て合格し、ランダム性の高い乱数であることが明らかとなった。さらに生成速度を向上させるために、取得された時間波形から乱数を生成する際の後処理方式の開発を行った。一つのサンプリング点から複数のビットを抽出するマルチビット生成方式を適用し、後処理としてビット反転処理を実現した。さらに複数のレーザカオス光源を用いて並列化し、時間遅延信号と組み合わせることで高速な乱数生成を実現した。
また半導体レーザから受光素子までを一体化した乱数生成用光集積回路の設計を行った。カオス発生用の外部共振器と光増幅器を備えた半導体レーザ光集積回路の設計および数値計算による最適パラメータ値の調査を行った。
a

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

一年目に達成予定であった物理乱数生成実験の実現および高速化への後処理方式の開発は順調に達成されている。さらに光集積回路を用いた小型化の設計も順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

本研究課題は順調に遂行されており、今後も計画通り行う予定である。特に来年度の課題としては、高速化のための帯域拡大技術の開発と、小型化のための光集積回路の作製が挙げられる。高速化に関しては、カオス生成用レーザと帯域拡大用レーザを準備し、帯域拡大用レーザの光出力をカオス発生用レーザへと注入することでカオスの周波数帯域拡大を達成する。また小型化に関しては、半導体レーザから受光素子までを一体化した乱数生成用光集積回路の設計および実装を行い、光集積回路におけるレーザカオスの時間ダイナミクスの調査を行う予定である.

次年度の研究費の使用計画

次年度は光集積回路の実装およびその計測機器の購入のために助成金を使用する予定である。さらに高速信号検出機器の購入にも充てる予定である。直接経費次年度使用額が60万円となっているが、これは本年度購入したビームプロファイラや光パワーメータが予定よりも安く購入できたために生じている。本助成金は次年度の助成金と合わせて、光検出器等の購入に充てる予定である。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (20件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Generalized synchronization and complexity in unidirectionally coupled dynamical systems2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kanno and A. Uchida
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: Vol. 3, No. 2 ページ: 143-154

    • DOI

      10.1588/nolta.3.143

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonlinear dynamics and chaos synchronization in Mackey-Glass electronic circuits with multiple time-delayed feedback2012

    • 著者名/発表者名
      M. Tateno and A. Uchida
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: Vol. 3, No. 2 ページ: 155-164

    • DOI

      10.1588/nolta.3.155

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theory of fast nondeterministic physical random-bit generation with chaotic lasers2012

    • 著者名/発表者名
      T. Harayama, S. Sunada, K. Yoshimura, J. Muramatsu, K. Arai, A. Uchida, and P. Davis
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: Vol. 85 ページ: 046215-1-046215-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.85.046215

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experiment on synchronization of semiconductor lasers by common injection of constant-amplitude random-phase light2012

    • 著者名/発表者名
      H. Aida, M. Arahata, H. Okumura, H. Koizumi, A. Uchida, K. Yoshimura, J. Muramatsu, and P. Davis
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: Vol. 20,No. 11 ページ: 11813-11829

    • DOI

      10.1364/OE.20.011813

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fast random number generation with bandwidth-enhanced chaotic semiconductor lasers at 8×50 Gb/s2012

    • 著者名/発表者名
      Y. Akizawa, T. Yamazaki, A. Uchida, T. Harayama, S. Sunada, K. Arai, K. Yoshimura, and P. Davis
    • 雑誌名

      IEEE Photonics Technology Letters

      巻: Vol. 24,No. 12 ページ: 1042-1044

    • DOI

      10.1109/LPT.2012.2193388

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Consistency and complexity in coupled semiconductor lasers with time-delayed optical feedback2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kanno and A. Uchida
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: Vol. 86 ページ: 066202-1-066202-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.86.066202

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Noise amplification by chaotic dynamics in a delayed feedback laser system and its application to nondeterministic random bit generation2012

    • 著者名/発表者名
      S. Sunada, T. Harayama, P. Davis, K. Tsuzuki, K. Arai, K. Yoshi mura, and A. Uchida
    • 雑誌名

      Chaos

      巻: Vol. 22 ページ: 047513-1-047513-9

    • DOI

      10.1063/1.4754872

    • 査読あり
  • [学会発表] ブロードエリア半導体レーザにおける高速カオスの横モード分割ダイナミクスの実験的観測2013

    • 著者名/発表者名
      荒幡真也、内田淳史
    • 学会等名
      2013年春季第60回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学、厚木
    • 年月日
      20130327-20130330
  • [学会発表] 短距離で相互結合された半導体レーザにおけるカオス同期のLeader-Laggard関係2013

    • 著者名/発表者名
      真田圭佑、内田淳史
    • 学会等名
      電子情報通信学会2013年総合大会
    • 発表場所
      岐阜大学、岐阜
    • 年月日
      20130319-20130322
  • [学会発表] 半導体レーザのコンシステンシーを用いた符号化と復号におけるパラメータ偏差の影響2013

    • 著者名/発表者名
      高橋純一、菅野円隆、内田淳史
    • 学会等名
      電子情報通信学会2013年総合大会
    • 発表場所
      岐阜大学、岐阜
    • 年月日
      20130319-20130322
  • [学会発表] 光注入された半導体レーザーにおけるカオスの複雑性と周波数帯域2013

    • 著者名/発表者名
      菅野円隆、内田淳史
    • 学会等名
      第442回レーザー学会研究会
    • 発表場所
      岡山県立大学、岡山
    • 年月日
      2013-02-28
  • [学会発表] 時間遅延ダイナミカルシステムにおける有限時間リアプノフ指数の算出2013

    • 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
      北海道大学、札幌、北海道
    • 年月日
      2013-01-24
  • [学会発表] Nonlinear dynamics in a photonic integrated circuit for fast chaos generation2012

    • 著者名/発表者名
      Y. Akizawa, R. Takahashi, H. Aida, T. Yamazaki, A. Uchida, T. Harayama, K. Tsuzuki, S. Sunada, K. Yoshimura, K. Arai, and P. Davis
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Random number generation with a photonic integrated circuit for fast chaos generation2012

    • 著者名/発表者名
      R. Takahashi, Y. Akizawa, T. Yamazaki, A. Uchida, T. Harayama, K. Tsuzuki, S. Sunada, K. Yoshimura, K. Arai, and P. Davis
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Fast random number generation with bandwidth-enhanced chaos and post-processing2012

    • 著者名/発表者名
      T. Yamazaki, Y. Akizawa, A. Uchida, K. Yoshimura, K. Arai, and P. Davis
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Noise amplification based on dynamical instabilities in semiconductor laser systems and its application to nondeterministic random bit generators2012

    • 著者名/発表者名
      S. Sunada, T. Harayama, P. Davis, K. Arai, K. Yoshimura, K. Tsuzuki, M. Adachi, and A. Uchida
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Finite-time Lyapunov exponents in nonlinear dynamical systems with time-delayed feedback2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kanno and A. Uchida
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Secure key distribution using correlated randomness in optical devices2012

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshimura, J. Muramatsu, P. Davis, A. Uchida, and T. Harayama
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Experiment on secure key distribution using correlated random phenomenon in semiconductor lasers2012

    • 著者名/発表者名
      H. Koizumi, S. Morikatsu, H. Aida, M. Arahata, T. Nozawa, A. Uchida, K. Yoshimura, J. Muramatsu, and P. Davis
    • 学会等名
      2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] Spontaneous exchange of leader-laggard relationship in mutually-coupled semiconductor lasers2012

    • 著者名/発表者名
      T. Hida, K. Kanno, and A. Uchida
    • 学会等名
      2012 International Symposium Oil Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
    • 発表場所
      Palma, Majorca, Spain
    • 年月日
      20121022-20121026
  • [学会発表] 半導体レーザにおける共通信号入力同期を用いた秘密鍵配送実験2012

    • 著者名/発表者名
      小泉勇人、森勝進一朗、会田裕貴、荒幡真也、野澤隆宏、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2012年ソサイエティ大会
    • 発表場所
      富山大学、富山
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 時間遅延ダイナミカルシステムの有限時間リアプノフ指数の解析2012

    • 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2012年ソサイエティ大会
    • 発表場所
      富山大学、富山
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] カオス発生用マッキー・グラス電子回路を用いた実時間物理乱数生成2012

    • 著者名/発表者名
      櫻庭良佑、山崎泰基、内田淳史
    • 学会等名
      電子情報通信学会2012年ソサイエティ大会
    • 発表場所
      富山大学、富山
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] ブロードエリア半導体レーザにおける高速カオスの実験的観測2012

    • 著者名/発表者名
      荒幡真也、内田淳史
    • 学会等名
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学、松山大学、愛媛
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 高速カオス発生用光集積回路の非線形ダイナミクス2012

    • 著者名/発表者名
      秋澤康裕、高橋里枝、会田裕貴、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
    • 学会等名
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学、松山大学、愛媛
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 高速カオス発生用光集積回路を用いた物理乱数生成2012

    • 著者名/発表者名
      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、ディビスピーター
    • 学会等名
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学、松山大学、愛媛
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 相互結合された半導体レーザにおける遅延カオス同期のLeader-Laggard関係の自発的スイッチング2012

    • 著者名/発表者名
      樋田拓也、菅野円隆、内田淳史
    • 学会等名
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学、松山大学、愛媛
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [図書] Optical Communication with Chaotic Lasers, Applications of Nonlinear Dynamics and Synchronization2012

    • 著者名/発表者名
      A. Uchida
    • 総ページ数
      640
    • 出版者
      Wiley-VCH, Germany
  • [備考]

    • URL

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

URL: 

公開日: 2014-07-16  

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