Quantum Random Number Generators (QRNGs) promise information-theoretic security
by exploring the intrinsic probabilistic properties of quantum mechanics. In
practice, their security frequently relies on a number of assumptions over physical
devices. In this thesis, a randomness generation framework that explores the
amplitude quadrature fluctuations of a vacuum state was analyzed. It employs a
homodyne measurement scheme, which can be implemented with low-cost components,
and shows potential for high performance with remarkable stability.
A mathematical description of all necessary stages was provided as security proof,
considering the quantization noise introduced by the analog-to-digital converter.
The impact of experimental limitations, such as the digitizer resolution or the
presence of excess noise due to an unbalanced detection, was characterized. Moreover,
we propose a framework to estimate the excess entropy introduced by an
unbalanced detection, and its high impact within the Shannon entropy model was
experimentally verified.
Furthermore, a real-time dedicated QRNG scheme was implemented and validated.
The variance characterization curve of the homodyne detector was measured, and
the quantum fluctuations were determined to be preponderant for an impinging
power PLO < 45.7mW. By estimating the worst-case min-entropy conditioned on
the electronic noise, approximately 8.39 true random bits can be extracted from
each sample, yielding a maximum generation rate of 8.23 Gbps. With a lengthcompatible
Toeplitz-hashing algorithm, these can be extracted at 75 Mbps with an
upper security bound of 2−105, which illustrates the quality of this implementation.
Moreover, the generation scheme was validated and verified to pass all the statistical
tests of the NIST, DieHarder, and TestU01’s SmallCrush batteries, as well as
most of TestU01’s Crush evaluations.
Finally, we propose a framework for time-interleaving the entropy source within
a classical communication channel, which removes the need for a dedicated generation
device. After assessing the conditions where quantum noise is dominant,
support for generation rates up to 1.3 Gbps was observed. The random bitstream
was subjected to the NIST randomness test suite and consistently passed all evaluations.
Moreover, a clean quadrature phase shift keying constellation was recovered,
which supports the multi-purpose function of the scheme.Geradores quânticos de números aleatórios (QRNGs) prometem sistemas
informação-teoricamente seguros explorando as propriedades intrinsecamente probabilísticas
da mecânica quântica. No entanto, experimentalmente, um conjunto
de pressupostos é tipicamente imposto sobre os dispositivos experimentais. Nesta
dissertação, analisou-se uma abordagem para geração de números aleatórios que
explora as flutuações de amplitude em quadratura de um estado vácuo. Para tal,
recorre-se a um esquema de deteção homodina que permite um elevado desempenho
e estabilidade, requerendo apenas dispositivos de baixo custo.
Um modelo matemático das diferentes etapas do gerador foi desenvolvido de forma
a fornecer uma prova de segurança, e contabilizou-se o ruído de discretização introduzido
pelo conversor analógico-digital. Adicionalmente, caracterizou-se o impacto
de imperfeições experimentais como a resolução do conversor analógico-digital e a
presença de ruído em excesso como consequência de uma deteção não balanceada.
Uma abordagem para estimar esta contribuição no modelo de entropia de Shannon
foi também proposta e experimentalmente verificada.
Adicionalmente, uma implementação em tempo-real foi caracterizada. A curva
de caracterização do detetor homodino foi experimentalmente verificada, e uma
preponderância de ruído quântico observado para potências óticas inferiores a
45.7mW. Através de uma estimativa da min-entropy condicionada ao ruído eletrónico,
aproximadamente 8.39 bits por medição podem ser extraídos, o que corresponde
a uma taxa de geração máxima de 8.23 Gbps. Estes podem ser extraídos
a uma taxa de 75 Mbps com um parâmetro de segurança de 2−105, ilustrativo da
qualidade desta implementação, através de um algoritmo eficiente de multiplicação
de matrizes de Toeplitz. Posteriormente, o esquema foi validado, passando todos
os testes estatísticos das baterias NIST, DieHarder, e SmallCrush, assim como a
maioria das avaliações contidas na bateria Crush.
Por último, foi proposta uma abordagem para integrar esta fonte de entropia num
canal de comunicação clássico, removendo desta forma a necessidade de uma implementação
dedicada. Após avaliação das condições de preponderância do ruído
quântico, foram observadas taxas de geração até 1.3 Gbps. Os números obtidos
foram também submetidos à bateria de testes do NIST, passando consistentemente
todas as avaliações. Adicionalmente, a constelação de modulação de amplitude em
quadratura obtida viabiliza a operação multifuncional do sistema.Mestrado em Engenharia Físic
