論文の概要: Evaluating Quantumness, Efficiency and Cost of Quantum Random Number Generators via Photon Statistics

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.14085v3
• Date: Sat, 3 Aug 2024 18:34:47 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-08-06 23:07:02.270602
• Title: Evaluating Quantumness, Efficiency and Cost of Quantum Random Number Generators via Photon Statistics
• Title（参考訳）: 光子統計による量子乱数発生器の量子性・効率・コスト評価
• Authors: Goutam Paul, Nirupam Basak, Soumya Das,
• Abstract要約: 本稿ではQRNGメーカーとユーザの視点から,2つの重要な貢献について述べる。 製造業者にとって、単一光子ベースのQRNGの量子性を評価する従来の方法は、有限サンプルサイズのため統計的に信頼性が低い。 QRNGの基本的なパラメータは、量子性(セキュリティ)、効率性(ランダム性と乱数生成率)、コストである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.2330023661329355
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Despite the availability of commercial QRNG devices, distinguishing between PRNG and QRNG outputs computationally remains challenging. This paper presents two significant contributions from the perspectives of QRNG manufacturers and users. For manufacturers, the conventional method of assessing the quantumness of single-photon-based QRNGs through mean and variance comparisons of photon counts is statistically unreliable due to finite sample sizes. Given the sub-Poissonian statistics of single photons, confirming the underlying distribution is crucial for validating a QRNG's quantumness. We propose a more efficient two-fold statistical approach to ensure the quantumness of optical sources with the desired confidence level. Additionally, we demonstrate that the output of QRNGs from exponential and uniform distributions exhibit similarity under device noise, deriving corresponding photon statistics and conditions for $\epsilon$-randomness. From the user's perspective, the fundamental parameters of a QRNG are quantumness (security), efficiency (randomness and random number generation rate), and cost. Our analysis reveals that these parameters depend on three factors, expected photon count per unit time, external reference cycle duration, and detection efficiency. A lower expected photon count enhances security but increases cost and decreases the generation rate. A shorter external reference cycle boosts security but must exceed a minimum threshold to minimize timing errors, with minor impacts on cost and rate. Lower detection efficiency enhances security and lowers cost but reduces the generation rate. Finally, to validate our results, we perform statistical tests like NIST, Dieharder, AIS-31, ENT etc. over the data simulated with different values of the above parameters. Our findings can empower manufacturers to customize QRNGs to meet user needs effectively.
• Abstract（参考訳）: 商用QRNGデバイスが利用可能であるにもかかわらず、PRNGとQRNGの出力の区別は依然として困難である。 本稿ではQRNGメーカーとユーザの視点から,2つの重要な貢献について述べる。 製造業者にとって、単一光子に基づくQRNGの量子度を平均および分散比較によって評価する従来の方法は、有限標本サイズのため統計的に信頼性が低い。 単光子のサブポアソン統計を考えると、基礎となる分布はQRNGの量子性の検証に不可欠である。 本稿では,光源の量子性を確保するために,より効率的な2次元統計手法を提案する。 さらに,指数分布および均一分布からのQRNGの出力はデバイスノイズの下で類似性を示し,対応する光子統計と$\epsilon$-randomnessの条件を導出することを示した。 QRNGの基本的なパラメータは、量子性(セキュリティ)、効率性(ランダム性と乱数生成率)、コストである。 分析の結果,これらのパラメータは,単位時間当たりの光子数,外部参照サイクル時間,検出効率の3因子に依存することがわかった。 期待の低いフォトンカウントはセキュリティを高めるが、コストを増大させ、生成率を低下させる。 より短い外部参照サイクルはセキュリティを高めるが、時間エラーを最小限に抑えるために最小限の閾値を超えなければならない。 検出効率の低下によりセキュリティが向上し、コストが低下するが、生成速度が低下する。 最後に,NIST,Dieharder,AIS-31,ENTなどの統計検査を,上記のパラメータの異なる値でシミュレートしたデータに対して行った。 われわれの発見は、メーカーにQRNGをカスタマイズして、ユーザのニーズを効果的に満たせるようにする。

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