ファイバチャネルを通じた片側デバイス独立型乱数生成

核心概念

本稿では、光量子ステアリング技術を用いることで、遠隔地の信頼できないデバイスにおいても安全な量子乱数を生成できることを実験的に示している。

要約

ファイバチャネルを通じた片側デバイス独立型乱数生成

本研究は、2kmのファイバチャネルを経由した連続量（CV）EPRステアリングの分散と、ステアリングベースのランダム性の検証後に量子乱数を抽出することを実証することを目的とする。

1550nmの光パラメトリック増幅器（OPA）を用いて、-2.78 dB/+3.47 dBと-2.69 dB/+3.47 dBのスクイーズ/アンチスクイーズを持つスクイーズド光状態を生成した。
これらのスクイーズド状態を50:50ビームスプリッター上で結合し、相対位相差をπ/2にすることで、CV EPRもつれ状態を作成した。
ファイバチャネルでの伝送には、偏波多重技術を用いてEPR状態の一方のモードとローカルオシレーター（LO）を伝送した。
アリスとボブは、それぞれの光モードの振幅と位相の直交位相を同時に測定し、ホモダイン検出器の出力をデジタルストレージオシロスコープで記録した。
アリスは、ボブと自身の測定結果に基づいてCMを再構成し、ボブからアリスへのステアビリティを検証した。
ランダム性の検証には、周期的な粗視化プロトコルを用いて、ボブの測定結果を有限個の結果に分類した。
ボブの測定結果を分類する戦略を決定した後、アリスは再構成されたCMから条件付き状態の完全な情報を得た。
量子乱数を抽出するために、ボブはホモダイン検出器を用いて自身の光モードの振幅または位相の直交位相の変動を測定した。
抽出された量子乱数は、NISTテストスイートを用いて評価した。

抽出されたキーインサイト

One-Sided Device-Independent Random Number Generation Through Fiber Channels

by Jinfang Zhan... 場所 arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08441.pdf

深掘り質問

量子ステアリング技術を用いた量子乱数生成は、従来の乱数生成方式と比較してどのような利点があるのか？

量子ステアリング技術を用いた量子乱数生成は、従来の乱数生成方式と比較して、安全性とランダム性の証明という点で大きな利点があります。
従来の乱数生成方式は、物理現象に基づくものやアルゴリズムに基づくものなど、様々な方法がありますが、これらの方法で生成された乱数は、真の意味でのランダム性や予測不可能性を完全に保証することができません。物理現象に基づく乱数生成は、観測できない隠れた変数が存在する可能性があり、アルゴリズムに基づく乱数生成は、そのアルゴリズムの複雑さに依存した擬似乱数に過ぎません。
一方、量子ステアリング技術を用いた量子乱数生成は、量子力学の原理に基づいており、測定結果のランダム性はベルの不等式の破れやステアリング不等式の破れによって保証されます。これは、デバイスの内部構造や動作原理に依存しない、デバイス非依存なランダム性検証が可能であることを意味し、従来の乱数生成方式では成し得なかった高い安全性を実現できます。
さらに、本稿で提案されている片側デバイス非依存な量子乱数生成は、通信を行う二者のうち一方のデバイスの完全性を仮定するだけでランダム性を保証できるため、より実用的な方式と言えます。

量子コンピュータの進化によって、本稿で提案された手法の安全性はどのように変化するのか？

量子コンピュータの進化は、暗号技術など多くの分野に影響を与える可能性がありますが、本稿で提案された片側デバイス非依存量子乱数生成の安全性については、直接的な影響は限定的と考えられます。
その理由は、本手法の安全性の根拠が量子力学の原理に基づいているからです。量子コンピュータは、量子力学の原理を利用して計算を行うものであり、その原理自体を覆すものではありません。
ただし、量子コンピュータの発展によって、現在用いられている古典的な暗号技術が解読される可能性があります。もし、量子乱数生成に用いるデバイスの制御系や乱数の後処理などに古典的な暗号技術が使われている場合、量子コンピュータによって攻撃を受ける可能性は否定できません。
この問題に対処するためには、量子コンピュータでも解読が困難な耐量子計算機暗号を用いる、もしくは量子通信技術を用いて鍵配送を行うなど、より高度なセキュリティ対策が必要となる可能性があります。

もし、人間の意識が真の乱数を生成できる唯一の存在だとしたら、量子乱数生成の意義はどう変わるのか？

もし、人間の意識が真の乱数を生成できる唯一の存在だと仮定した場合、量子乱数生成の意義は**「人間の意識に頼らない、実用的で高速なランダム性源の提供」**に変化すると考えられます。
人間の意識が真の乱数を生成できるとしても、それを実用的なシステムに組み込むことは容易ではありません。意識から取り出した乱数をどのようにデジタル情報に変換するのか、そのプロセスに偏りや予測可能性がないことをどのように保証するのか、といった課題解決が非常に困難だからです。
一方、量子乱数生成は、物理現象を直接利用することで、高速かつ大量のランダムビット列を生成できます。さらに、そのランダム性は量子力学の原理によって保証されており、人間の意識のような曖昧な要素に依存しません。
従って、たとえ人間の意識が真の乱数を生成できたとしても、量子乱数生成は実用性、安定性、信頼性の観点から重要な技術であり続けるでしょう。むしろ、人間の意識では生成できないほど大規模で複雑なランダム性を必要とする分野において、その重要性はさらに増していくと考えられます。