論文の概要: Beamsplitter-free, high bit-rate, quantum random number generator based on temporal and spatial correlations of heralded single-photons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.00440v1
- Date: Tue, 1 Oct 2024 06:40:40 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-11-05 05:36:46.225651
- Title: Beamsplitter-free, high bit-rate, quantum random number generator based on temporal and spatial correlations of heralded single-photons
- Title（参考訳）: 重み付き単光子の時間的・空間的相関に基づくビームスプリッタフリー高ビットレート量子乱数生成器
- Authors: Ayan Kumar Nai, Amritash Sharma, Vimlesh Kumar, Sandeep Singh, Shreya Mishra, C. M. Chandrashekar, G. K. Samanta,
- Abstract要約: 光子対の空間相関を用いた高ビットレート量子乱数生成(QRNG)について報告する。
NIST 800-22とTestU01のテストスイートをすべてパスして,ビットレート3MbpsのQRNGを実現しました。
ジェネリック・スキームはSPDCリングをより分割することでビットレートをさらに高める可能性を示している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.745219075203435
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The spontaneous parametric down-conversion (SPDC), an inherently random quantum process, produces a non-deterministic photon-pair with strong temporal and spatial correlations owing to both energy and momentum conservation. Therefore, the SPDC-based photon pairs are used for quantum random number generation (QRNG). Typically, temporal correlation in association with an ideal unbiased beam splitter is used for QRNG without fully exploring the spatial correction. As a result, SPDC-based QRNG has a low bit rate. On the other hand, due to the spatial correlation, the photon pairs in non-collinear phase-matched geometry are generated randomly in diametrically opposite points over an annular ring spatial distribution. Therefore, exploring the temporal correlation between photon pairs from different sections of the annual ring can lead to multi-bit QRNG at a high rate, avoiding the need for a beam splitter. As a proof-of-concept, we report on high-bit-rate QRNG by using spatial correlation of photon-pairs by sectioning the SPDC ring of a non-collinear, degenerate, high-brightness source and temporal correlation between the diametrically opposite sections. Dividing the annular ring of the high-brightness photon-pair source based on a 20 mm long, type-0 phase-matched, periodically-poled KTP crystal into four sections, recording the timestamp of the coincidences (widow of 1 ns) between photons from diametrically opposite sections and assigning bits (0 and 1), we extracted 90 million raw bits over 27.7 s at a pump power of 17 mW. We determined the extraction ratio using the minimum entropy evaluation of more than 95% in our case. Using Toeplitz matrix-based post-processing, we achieved a QRNG with a bit-rate of 3 Mbps, passing all NIST 800-22 and TestU01 test suites. The generic scheme shows the possibility of further enhancement of the bit rate through more sectioning of the SPDC ring.
- Abstract（参考訳）: 自然パラメトリックダウン変換(SPDC)は、本質的にランダムな量子過程であり、エネルギーと運動量保存の両方によって強い時間的および空間的相関を持つ非決定論的光子対を生成する。
したがって、SPDCベースの光子対は、量子乱数生成(QRNG)に使用される。
典型的には、空間補正を完全に調べることなくQRNGには理想的な非バイアスビームスプリッターと時間的相関が用いられる。
その結果、SPDCベースのQRNGはビットレートが低い。
一方、空間的相関により、非線形位相整合幾何における光子対は、環状環空間分布上の対数的反対点においてランダムに生成される。
したがって、年輪の異なる部分からの光子対間の時間的相関を探索することは、ビームスプリッターの必要性を避けるために、多ビットQRNGを高速に導くことができる。
概念実証として,光子対の空間的相関を用いた高ビットレートQRNGについて,非コリナーのSPDCリングを分割し,縮退し,高明度源とし,両断面間の時間的相関について報告する。
高輝度光子対光源の環状リングを20mm長の型0相整合KTP結晶を周期的に4つのセクションに分割し,光子間の一致(1 ns)のタイムスタンプを記録し,0と1のビットを割り当てた。
本症例では95%以上の最小エントロピー評価を用いて抽出比を決定した。
Toeplitz行列ベースのポストプロセッシングを用いて、3Mbpsのビットレートを持つQRNGを達成し、すべてのNIST 800-22とTestU01テストスイートをパスした。
ジェネリック・スキームはSPDCリングをより分割することでビットレートをさらに高める可能性を示している。
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