論文の概要: A 3.3 Gbps SPAD-Based Quantum Random Number Generator

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2209.04868v1
• Date: Sun, 11 Sep 2022 13:56:57 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-27 00:35:37.237073
• Title: A 3.3 Gbps SPAD-Based Quantum Random Number Generator
• Title（参考訳）: 3.3GbpsSPADに基づく量子乱数発生装置
• Authors: Pouyan Keshavarzian, Karthick Ramu, Duy Tang, Carlos Weill, Francesco Gramuglia, Shyue Seng Tan, Michelle Tng, Louis Lim, Elgin Quek, Denis Mandich, Mario Stip\v{c}evi\'c and Edoardo Charbon
• Abstract要約: 本稿では、偏りや相関関係に現れる回路不完全性の役割を解明する量子ランダムフリップフロップ(QRFF)の理論について論じる。 QRFF回路のトランジスタ実装は、ランダムフリップフロップの有限非対称遷移に固有のエントロピーの劣化の補償を可能にする。 QRFF回路の2つの独立配列を含むフルシステムは55nmのBipolar-CMOS-DMOS技術ノードで製造・試験される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4189768681039651
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum random number generators are a burgeoning technology used for a variety of applications, including modern security and encryption systems. Typical methods exploit an entropy source combined with an extraction or bit generation circuit in order to produce a random string. In integrated designs there is often little modelling or analytical description of the entropy source, circuit extraction and post-processing provided. In this work, we first discuss theory on the quantum random flip-flop (QRFF), which elucidates the role of circuit imperfections that manifest themselves in bias and correlation. Then, a Verilog-AMS model is developed in order to validate the analytical model in simulation. A novel transistor implementation of the QRFF circuit is presented, which enables compensation of the degradation in entropy inherent to the finite non-symmetric transitions of the random flip-flop. Finally, a full system containing two independent arrays of the QRFF circuit is manufactured and tested in a 55 nm Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) technology node, demonstrating bit generation statistics that are commensurate to the developed model. The full chip is able to generate 3.3 Gbps of data when operated with an external LED, whereas an individual QRFF can generate 25 Mbps each of random data while maintaining a Shannon entropy bound > 0.997, which is one of the highest per pixel bit generation rates to date. NIST STS is used to benchmark the generated bit strings, thereby validating the QRFF circuit as an excellent candidate for fully-integrated QRNGs.
• Abstract（参考訳）: 量子乱数生成器(Quantum random number generators)は、現代のセキュリティや暗号化システムなど、様々なアプリケーションで使われる新興技術である。 典型的な方法は、ランダムな文字列を生成するために、エントロピーソースと抽出回路またはビット生成回路を併用する。 統合設計では、エントロピー源、回路抽出および後処理に関するモデリングや分析的な記述はほとんどない。 本研究では,まず量子ランダムフリップフロップ(qrff)の理論を議論し,バイアスと相関関係に現れる回路不完全性の役割を明らかにする。 次に,解析モデルをシミュレーションで検証するためにverilog-amsモデルを開発した。 ランダムフリップフロップの有限非対称遷移に固有のエントロピーの劣化を補償する、qrff回路の新たなトランジスタ実装を提案する。 最後に、QRFF回路の2つの独立配列を含む完全系を55nmバイポーラCMOS-DMOS(BCD)技術ノードで製造、試験し、開発モデルに相似するビット生成統計を実証する。 完全なチップは外部LEDで操作すると3.3Gbpsのデータを生成することができるが、個々のQRFFはシャノンエントロピー境界>0.997を維持しながらランダムデータ毎に25Mbpsを生成することができる。 NIST STSは生成されたビット文字列をベンチマークするために使用され、QRFF回路を完全統合QRNGの優れた候補として検証する。

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