半導体レーザの周波数雑音の無秩序性を用いた高速物理乱数生成に関する研究

• Material Type: 博士論文
• Title: 半導体レーザの周波数雑音の無秩序性を用いた高速物理乱数生成に関する研究
• Author/Editor: 新井, 秀明
• Publication, Distribution, etc.: 新潟大学
• Publication Date: 2019-03-25
• Publication Date (W3CDTF): 2019-03-25
• Alternative Title: 半導体レーザの周波数雑音の無秩序性を用いた高速物理乱数生成に関する研究; Study on high-speed physical random number generation using the randomness of the frequency noise of the laser diode
• Degree grantor/type: 新潟大学
• Date Granted: 2019-03-25
• Date Granted (W3CDTF): 2019-03-25
• Dissertation Number: 甲第4612号
• Degree Type: 博士（工学）
• Conferring No. (Dissertation): 甲第4612号
• Text Language Code: jpn
• Note (General): In the communication through the network, it is essential to encrypt information to secure safety of the communication. An encryption method used for communication is a public key cryptosystem and a hybrid cryptosystem that put a public key cryptosystem and a private-key cryptosystem together mainly now. The safe grounds of these methods are to need vast calculation time to decode private key from a public key, but, by a cloud computing using the network accomplishing rapid progress and the development of the study of a quantum computer, the safe securing of information security by the cryptographic technology is becoming difficult for these past several years. One method to solve this problem includes quantum cryptography communication technology using a quantum key distribution. Because the quantum communication can detect the wiretapping on the channel, we can realize complete secret communication by letting both transmission and reception believers share private key. The randomness of the private key (i.e., the random number for secret codes) becomes important to assure the safety of this technique. Therefore the development of the technique that can generate chaotic random numbers (i.e., physical random number) fast becomes the urgent need. This thesis focuses on a very high-speed frequency noise of the laser diode to generate a physical random number fast, and assumed this frequency noise as a source for physical random number generation. We detected a high-speed frequency noise of the laser diode as a fluctuation of the transmitted light intensity using a frequency discriminator. This principle is the same as a principle of slope detection which is a kind of the demodulation technology in the FM communication. We used a Fabry-Perot type laser diode of wavelength 780nm for a noise source, and the D_2 absorption line of the rubidium atom for a frequency discriminator. We converted a transmitted light intensity signal into binary data by an A/D converter, and produced the binary physical random number sequences by extracting binary sequence from binary data. Generated physical random number sequences are statistically confirmed its quality by means of a de facto standard “NIST SP800-22” of the random number test for the secret code. Physical random number sequences are generated from binary data by two methods. The first method produced random number sequences per digits using least significant bits of binary data obtained from the A/D converter of vertical resolution 8 bits in parallel. The second method produced the binary random number sequence by connecting the data of each digit of binary data to one. We can make the generation speed of the physical random number sequence faster than the sampling speed of the A/D converter by using these methods. And, the operation such as performing EX-OR (XOR) between different random numbers is necessary for using it as a random number for the code because the physical random number usually has bad equal probability characteristics. The method called the Reverse XOR method that developed this XOR operation is recently suggested to improve the generation speed of the physical random number in other precedent studies. In this study, both this Reverse XOR and the normal XOR (XOR method) methods are used for generating a physical random number. And, a physical random number sequence generating speed of 120 Gb/s was confirmed by a method of generating random number sequences from several digits of 8-bits-binary-data in parallel. In addition, Improved XOR and Improved Reverse XOR methods proposed in this thesis generated the physical random number sequence faster than the normal XOR and the Reverse XOR methods. As a result, this thesis reported that a physical random number sequence was generated at 160 Gb/s. The relations between the frequency discriminator and the oscillation frequency of the laser diode bring big influence in the quality of the physics random number in our physical random number generation method. This is because frequency properties of the detected noise signal will change by the relation between the slant of the frequency discriminator and the frequency of the laser diode. Therefore the relation between the frequencies of the oscillation spectrum of this laser diode and the frequency discriminator was investigated, and the most suitable condition for generating a physical random number was discussed. In addition, the oscillation frequency of the laser diode greatly changes by a fluctuation of the environment temperature and the driving current. Therefore it is necessary to stabilize and control the oscillation frequency of the laser diode to the limited area within the absorption line of the rubidium atom in order to generate a physical random number stably for a long time. Therefore the oscillation frequency of the laser diode was controlled by using a technique of Phase-locked-Loop to the frequency of the slope of the rubidium atom absorption curve.; ネットワークを介した通信において，情報を暗号化することは，通信の安全性を確保するために必要不可欠なことである．現在，主に利用されている通信用暗号方式は，公開鍵暗号方式や公開鍵暗号と共通鍵暗号を組み合わせたハイブリット方式である．これらの方式の安全性の根拠は，公開鍵から秘密鍵を解読するために莫大な計算時間を要することであるが，ここ数年飛躍的な進歩を遂げるネットワークを使用したクラウドコンピューティングや量子コンピュータの研究の進展によって，この暗号化技術による情報セキュリティの安全性確保は困難になりつつある． この問題を解決する一つの方法として，量子鍵配送を利用した，量子暗号通信技術がある．量子通信は通信路上での盗聴を検出できるため，秘密鍵をこの方法で送受信者双方に共有させることで完全な秘密通信を実現することができる．この技術の安全性をより確かにするために重要になってくるのは，秘密鍵すなわち暗号用乱数の無秩序性である．そのため非常に無秩序な乱数，すなわち物理乱数を高速に生成できる技術の開発が急務になっている． 本論文では物理乱数を高速に生成するために，半導体レーザの非常に高速な周波数雑音に着目し，その雑音を物理乱数生成のための源とした．本論文では半導体レーザの高速な周波数雑音を周波数弁別器を用いて，透過光強度の変動として検出した．これはFM通信における復調技術のスロープ検波の原理と同じものである．また半導体レーザは，波長780nm帯で発光するファブリ・ペロータイプのレーザを使用し，周波数弁別器にルビジウム原子のD_2吸収線を用いた．透過光強度信号は，A/Dコンバータによって2進数データに変換し，2進数データから2進数列を抽出することで2進数の物理乱数列を生成した．生成された物理乱数列は，デファクト・スタンダードである暗号用乱数検定のNIST SP800-22によって統計的に評価して，十分な品質であることを確認した． 本論文では，物理乱数列を2通りの方法で2進数データから抽出した．一つ目の方法は，垂直分解能8ビットのA/Dコンバータから得られた2進数データのLeast significant bitsを利用して桁ごとに並列に乱数列を生成した．2つ目の方法は，2進数データの各桁のデータを1つに結合して2進数の乱数列を生成した．これらの方法を利用することで本論文では，物理乱数列の生成速度をA/Dコンバータのサンプリング速度より速くすることが可能になる．また，物理乱数は等確率性が悪いため暗号用の乱数として使用するためには，別の乱数との間で排他的論理和（XOR）を行うなどの操作が必要である．最近の他の先行研究では，物理乱数の生成速度を更に向上させるために，このXOR操作を発展させたReverse XOR方式と呼ばれる方法が提案されている．本研究で，我々も通常のXORを用いた方法（XOR方式）の他にこのReverse XOR 方式を使用して物理乱数を生成した．そして本論文では，XOR方式において8ビットの2進数データの各桁から並列的に物理乱数列を生成する方法によって物理乱数列を最大120 Gb/sの速度で生成することに成功した．また本論文では，さらに物理乱数列の生成速度を向上させるために，通常のXOR方式とReverse XOR方式を改良したImproved XOR 方式とImproved Reverse XOR方式を提案した．その結果，本論文では最終的に物理乱数列を最大160 Gb/sの速度で生成することに成功した． 我々の物理乱数生成方法では，周波数弁別器と半導体レーザの発振周波数の中心周波数の関係が，生成される物理乱数の品質に大きな影響をもたらす．これは半導体レーザの発振スペクトルの中心周波数を周波数弁別器のどの周波数に設定するかによって，検出される雑音信号の周波数特性が変化してしまうためである．そこで本論文では，この半導体レーザの発振スペクトルの中心周波数と周波数弁別器の関係を調査し，その結果から物理乱数を生成するための最適な条件を調べた．さらに，その条件において実際に半導体レーザの周波数雑音から良質な物理乱数が生成できることを確認した． また半導体レーザの発振周波数は，雰囲気温度や駆動電流の変動によって大きく変化する．そのため，物理乱数を長時間，安定的に生成するためには，半導体レーザの発振周波数を安定化し，さらに周波数弁別器であるルビジウム原子の吸収線の波長に半導体レーザの発振周波数を制御する必要がある．そのため本論文では半導体レーザの発振周波数をPhase-locked-Loopの技術を用いて制御し，ルビジウム原子吸収曲線のスロープの周波数に安定化することで，安定的に周波数雑音を検出できるシステムを構築した．; 学位の種類: 博士（工学）. 報告番号: 甲第4612号. 学位記番号: 新大院博（工）甲第489号. 学位授与年月日: 平成31年3月25日; 新大院博（工）甲第489号; 開始ページ : 1; 終了ページ : 120
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/11337555; https://dl.ndl.go.jp/pid/11337555
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Date Accepted (W3CDTF): 2019-08-03T12:23:27+09:00
• Date Created (W3CDTF): 2019-09-10
• Format (IMT): application/pdf
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://hdl.handle.net/10191/51351
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp