Procedimiento ultrarrápido de generación cuántica de números aleatorios y sistema para llevar a cabo el procedimiento.

La invención se basa en un sistema y un procedimiento para producir números aleatorios mediante un generador cuántico de números aleatorios, donde el procedimiento comprende las etapas de operar un láser en monomodo y alto ancho de banda de modulación mediante un generador de pulsos eléctricos, transformar los pulsos ópticos de fase aleatoria producidos anteriormente en pulsos ópticos con amplitud aleatoria y detectar las señales de amplitud aleatoria resultantes mediante un fotodiodo rápido. Los números así producidos son verdaderamente aleatorios.

Procedimiento ultrarrápido de generación cuántica de números aleatorios y sistema para llevar a cabo el procedimiento.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a generadores de números aleatorios (GNA) , en particular a generadores basados en la aleatoriedad intrínseca en variables observables cuánticas.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los números aleatorios forman secuencias de números o símbolos que carecen de cualquier modelo y parecen aleatorios. Un generador de números aleatorios (GNA) es un dispositivo computacional o físico concebido para generar números aleatorios. Los GNA se pueden clasificar en pseudo-GNA (PGNA) , algoritmos computacionales, y GNA verdaderos (GNAV) . Los GNAV son dispositivos físicos concebidos para generar secuencias de números o símbolos que carecen de cualquier modelo. Además, los GNA implementados con dispositivos físicos se pueden subdividir en GNA clásicos (GNAC) , basados en dispositivos hardware clásicos con comportamiento impredecible, y GNA cuánticos (GNAQ) basados en efectos cuánticos [1, 2, 3].

Los dispositivos actuales de GNA comerciales se basan en: matrices de detectores cuánticos de fotones individuales [4], metaestabilidad CMOS, señal de ruido usando el fenómeno físico estocástico de electrones atrapados en la capa de nitruro de silicio de un transistor, detección de tiempo de llegada de fotones de un láser operado en modo de onda continua (cw) , unión de semiconductores inversamente polarizados, ruido térmico o de Johnson y ruido en transistores. Diversos documentos describen estos dispositivos: haz luminoso que ilumina una batería de detectores cuánticos [5], difracción de fotones individuales usando una rejilla de orden superior [6], detección de fotones como eventos aleatorios [7], acoplamiento de fotones a un acoplador monomodo [8], ruido eléctrico [9, 10] y división de haz láser de fotones individuales usando detección homodina [11].

La publicación "High-speed quantum random number generation by measuring phase noise of a singe-mode laser" de Bing Qi et.al. [12] divulga un GNAQ basado en la medición del ruido cuántico de fase de un láser semiconductor monomodo. El ruido de fase del láser se origina a partir de la emisión espontánea amplificada (EEA) cuando el láser es operado muy cerca de su umbral. El sistema tiene una velocidad de generación de números aleatorios de 500 Mbit/s, limitada por la capacidad del sistema para ensanchar el ancho de banda EEA para reducir el tiempo de coherencia. Se usa un modulador de fase para reducir el impacto de derivas periódicas que limita la longitud de la secuencia aleatoria generada. Sin embargo, aparte de ser un elemento adicional, el modulador de fase está sometido él mismo de manera intrínseca a deriva, si se usan materiales electroópticos tales como LiNbO3. Además, el hecho de que el láser sea operado muy cerca de su umbral hace que sea más difícil evitar el ruido clásico, lo cual reduce el nivel de aleatoriedad cuántica asociada a la EEA.

De este modo, hay necesidad de una fuente GNAQ de mayor velocidad, que reduzca el tiempo de coherencia, evite el uso de un modulador de fase y reduzca en gran medida el impacto del ruido clásico.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento y un GNAQ que supere las limitaciones de la técnica anterior. Con este fin, la invención comprende las etapas de operar un diodo láser en monomodo con un alto ancho de banda de modulación mediante un generador de pulsos eléctricos, transformar los pulsos ópticos con fase aleatoria en pulsos ópticos con amplitud aleatoria y detectar estas amplitudes aleatorias resultantes mediante un fotodiodo rápido (PIN) . En primer lugar el láser se opera muy por debajo del umbral y a continuación, en la generación del pulso óptico, por encima del umbral, para amplificar el campo de la cavidad láser hasta un nivel macroscópico. Preferiblemente, el láser es un diodo láser y el generador de pulsos es operado de manera que la duración de los pulsos eléctricos sea inferior al 50% del periodo de repetición de los pulsos ópticos. Hay dos posibilidades para transformar los pulsos ópticos: pasarlos a través de un interferómetro Mach-Zehnder o combinarlos con la señal óptica de otro láser antes de detectarlos. En el primer caso, opcionalmente, las señales se pueden aislar ópticamente para de este modo evitar que potencia óptica reflejada entre en la cavidad láser. También se proporciona un posible sistema para poner en práctica el procedimiento según la invención. Tal sistema comprende un diodo láser para producir pulsos ópticos de fase aleatoria, un interferómetro Mach-Zehnder provisto de dos acopladores de mantenimiento de polarización, una fibra de mantenimiento de polarización, un controlador de pulsos eléctricos para el diodo láser y un fotodiodo rápido para detectar las señales de salida del interferómetro. También se puede incorporar un aislador óptico entre el diodo láser y el interferómetro para evitar que la potencia óptica sea retro-reflejada en la cavidad.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripción y conseguir una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de figuras. Dichas figuras ilustran realizaciones preferidas de la invención, y no se deben de interpretar como una restricción del alcance de la invención, sino sólo como un ejemplo de cómo se puede materializar la misma.

Figura 1. muestra una primera configuración para la puesta en práctica de un primer procedimiento según la invención, en la cual un diodo láser produce pulsos ópticos de fase aleatoria que pasan por un interferómetro Mach-Zehnder, interfieren ópticamente y a continuación se detectan eléctricamente.

Figura 2. es una segunda configuración para la puesta en práctica de un segundo procedimiento según la invención, en el cual la fase de los pulsos de fase aleatoria del primer diodo láser se combina con la señal de un segundo láser.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se basa en la transformación de pulsos láser de fase aleatoria en pulsos de amplitud aleatoria que se pueden detectar con un fotodiodo rápido, y el uso de un generador de pulsos eléctricos. En la primera realización (Fig. 1) , esto se consigue usando una fuente láser monomodo que emite un tren de pulsos ópticos producido con la ayuda de un generador eléctrico con una periodo dado, a continuación se divide en potencia en dos trenes equivalentes de pulsos ópticos, se retarda uno de los trenes en al menos un periodo, se recombinan los pulsos y finalmente se detectan las intensidades de salida resultantes. En la segunda realización (Fig.2) , en lugar de dividir y retardar los pulsos del láser, se pueden combinar estos últimos con otra fuente láser y a continuación detectar las intensidades de salida.

Con referencia a la figura 1, un sistema para poner en práctica el procedimiento de la invención comprende un diodo láser (LD) como oscilador, que proporciona un funcionamiento monomodo y un ancho de banda de modulación alto. Un LD monomodo se modula directamente mediante un tren de pulsos eléctricos suficientemente cortos. La duración de los pulsos eléctricos debería ser inferior al 50% del periodo de repetición del tren de pulsos generados. Un interferómetro Mach-Zehnder (MZI) con brazos de longitud desequilibrados usando fibras de mantenimiento de polarización permite disponer de un interferómetro monomodo estable. El interferómetro consiste en un acoplador de entrada, que divide por igual en potencia los pulsos ópticos entrantes en los dos brazos. El brazo de mayor longitud permite retardar el flujo de pulsos copiados por un periodo respecto de los pulsos en el brazo corto. En el acoplador de salida, los dos flujos de pulsos interfieren de manera coherente. En la figura 1, PD indica el generador de pulsos eléctricos para modular directamente el láser, LD el diodo láser, OI un aislador óptico que evita que la potencia óptica sea retro-reflejada dentro de la cavidad del LD, PMF una fibra de mantenimiento de polarización para facilitar la estabilidad en polarización a lo largo del interferómetro, <0-3 son las fases ópticas de diferentes pulsos consecutivos, PMC es un acoplador de mantenimiento de polarización, <loop es la fase introducida por el brazo largo que corresponde a un retardo de tiempo apropiado, y finalmente PIN es un fotodiodo rápido. La fase aleatoria de los diferentes pulsos de entrada se traduce en señales de salida que adquieren amplitudes aleatorias.

La fuente láser se opera...

1. Procedimiento para producir números aleatorios mediante un generador cuántico de número aleatorios, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

- a) operar un láser (LD) en monomodo y con un alto ancho de banda de modulación mediante un generador de pulsos eléctricos (PD) ,

- b) transformar los pulsos ópticos de fase aleatoria producidos en a) en pulsos ópticos con amplitud aleatoria, y

- c) detectar las señales de amplitud aleatorias resultantes mediante un fotodiodo rápido (PIN) .

2. - Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el láser (LD) es un diodo laser.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque el láser se opera en primer lugar muy por debajo del umbral y a continuación por encima del umbral para amplificar el campo en la cavidad láser hasta un nivel macroscópico.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque el generador de pulsos es operado de manera que la duración de los pulsos eléctricos sea inferior al 50% del periodo de repetición de los pulsos ópticos.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque los pulsos ópticos de fase aleatoria producidos en a) se transforman pasándolos a través de un interferómetro Mach-Zehnder (MZI) .

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque los pulsos ópticos de fase aleatoria producidos en a) se transforman combinándolos con la señal óptica de otro láser (LD2) antes de detectarlos.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 que comprende una etapa de aislamiento óptico de las señales para de este modo evitar que potencia óptica reflejada entre dentro de la cavidad láser.

8. Sistema para poner en práctica cualquiera de los procedimientos según las reivindicaciones 1-5, comprendiendo el sistema un diodo láser para producir señales de entrada de fase aleatoria, un interferómetro Mach-Zehnder (MZI) provisto de fibras de mantenimiento de polarización (PMF) y acopladores de mantenimiento de polarización (PMC) caracterizado porque comprende, además, un generador de pulsos eléctricos (PD) para el láser (LD) y un fotodiodo rápido (PIN) para detectar las señales de salida del interferómetro (MZI) .

9. Sistema según la reivindicación 8 caracterizado porque comprende, además, un aislador óptico entre el láser (LD) y el interferómetro (MZI) adaptado para evitar que potencia óptica retro-reflejada entre dentro de la cavidad del láser.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201131362

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 04.08.2011

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G06F7/58 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

31. 314. 1-2, 4-9 A HONG GUO, WENZHUO TANG, YU LIU y WEI WEI "Truly Random Number Generation Based on Measurement of Phase Noise of Laser". http://arxiv.org/pdf/0908.2893.pdf 1 Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº : Fecha de realización del informe 21.03.2012 Examinador M. Muñoz Sanchez Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201131362

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G06F Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPAIP, XPESP, XPESP2, XPETSI, XPIEE, XPIETF, XPIPCOM, XPI3E, XPJPEG, XPLNCS, XPMISC, XPOAC, XPSPRNG, XPTK, XP3GPP

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131362

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 21.03.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131362

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

31. 314 01.02.2010 D02 HONG GUO, WENZHUO TANG, YU LIU y WEI WEI "Truly Random Number Generation Based on Measurement of Phase Noise of Laser". http://arxiv.org/pdf/0908.2893.pdf 20.01.2010

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

Se considera D01 el documento del estado de la técnica más próximo al objeto de la solicitud.

Reivindicaciones independientes

Reivindicación 1: El documento D01 divulga un sistema para generar números aleatorios operando un láser (de diodo) monomodo por debajo del umbral del láser (consiguiendo un gran ancho de banda) en el que la señal del láser (de una fase aleatoria) se divide en dos señales idénticas, que recorren caminos ópticos diferentes (y por tanto una se retrasa con respecto a la otra) gracias a un interferómetro Mach-Zehnder en cuya salida se combinan estas dos señales resultando una señal de amplitud aleatoria a partir de dos señales de fase aleatoria. La detección se realiza mediante fotodetectores. Además otros elementos auxiliares son acopladores de fibras y controladores de polarización. También comprende una fuente de corriente (por ejemplo, un generador de pulsos eléctricos para alimentar el láser) . La diferencia entre D01 y el documento de la solicitud se refiere a que el fotodetector es un fotodiodo rápido. Esta es una alternativa comúnmente conocida en el campo técnico de la solicitud y por tanto evidente para el experto en la materia. Por tanto el documento D01 afecta a la actividad inventiva de la reivindicación 1 según el artículo 8.1 de la Ley de Patentes. Reivindicación 8: Haciendo referencia a lo que se ha razonado para la reivindicación 1 el documento D01 afecta a la actividad inventiva de la reivindicación 8 según el artículo 8.1 de la Ley de Patentes.

Reivindicaciones dependientes

Reivindicación 2: aparece en D01 y así el documento D01 afecta a la actividad inventiva de la reivindicación 2 según el artículo 8.1 de la Ley de Patentes. Reivindicación 3: Con respecto a D01, gracias a la modulación de la ganancia en corriente, al operar el láser por encima y por debajo de su valor umbral se consigue el efecto técnico de lograr un gran nivel de señal y un tiempo de coherencia corto. Esta característica técnica no aparece tampoco en los documentos D02. Por tanto la reivindicación 3 posee actividad inventiva según el artículo 8.1 de la Ley de Patentes. Reivindicaciones 4-7, 9: El contenido de estas reivindicaciones aparece en D01 (reivindicación 5) o son alternativas sin efecto técnico relevante (reivindicación 4) o comúnmente conocidas para el experto en la materia (reivindicaciones 6-7, 9) y por tanto evidentes. Así, el documento D01 afecta a la actividad inventiva de las reivindicaciones 4-7, 9 según el artículo 8.1 de la Ley de Patentes.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4