乱数は、現代の科学技術において極めて重要な役割を果たしている。通常、ランダムと呼ばれるものは、厳密に予測できないというだけであり、全く予測できないものではない。例えば、コインの裏表、サイコロの目、天候の変化、惑星の衝突などは、それぞれ複雑な影響の連鎖によって決定される。
しかし、量子系では、エネルギーの精度を高めれば位置は分からなくなり、位置を特定すればエネルギーは分かりにくくなるという、不思議な性質がある。このような性質は、何もない場所でも発生すると言われる量子泡(Quantum Foam)という現象に関連している。
研究者たちは、この量子泡からランダムなデータを生成するための信頼できる方法を模索しており、新しい手法が提案されている。この手法では、バランスのとれたホモダイン検出器と呼ばれる装置を使用し、環境からの干渉を除外することで、ランダムな変動に対するシステムの感度を高めている。
この新しい手法によって、量子泡から100ギガビットのデータを毎秒取得することができるようになり、乱数を求めるための信頼性の高いプラットフォームが実現した。これは、暗号化などの分野で大きな貢献を果たすことが期待される。
この技術は、装置が小型化されているため、現場でも簡単に利用できる。これは、情報セキュリティがますます重要になっている現代社会において、革新的な解決策として注目されている。
このような乱数の生成は、科学技術だけでなく、社会的な分野でも有用だ。例えば、研究で使用するサンプルの選択に偏りがないかを確認するために使用することが出来る。また、身近なところでは、ファンタジー・ロールプレイングゲームのキャラクターの能力値を決定するためにも使用される。
乱数を生成するための技術は、その利用価値の高さから、今後も進化し続けることが予想される。今回紹介した新しい手法は、小型化された装置を用いて信頼性の高いランダムなデータを素早く生成することができるため、今後もその応用範囲は広がることだろう。
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研究の要旨
通信や暗号のアプリケーションでは、信頼性の高い高速な予測不可能な乱数生成器が求められている。量子乱数生成は、量子力学が持つ固有のランダム性により、真に予測不可能な乱数を生成することができる。一般的なアプローチは、量子真空状態を利用して乱数を生成することだ。この方法は便利だが、他の方式に比べ、一般的に速度が制限されている。今回、光電子集積回路のカスタム設計とデジタルフィルタによる側情報の低減により、100Gbit/sの超高速生成速度を実験的に実証し、真空を利用した量子乱数生成の1桁の新記録を打ち立てた。さらに、古典・量子の両側面情報に対して安全であり、デジタル化過程における非線形性も適切に考慮した、デバイス依存のフレームワークを改良することで、実験的実証を十分に裏付けています。このチップスケールの超高速セキュア乱数生成器は、次世代通信および暗号アプリケーションへの応用が期待される。
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