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A quantum random number generator based on a polymer photonic-integration platform
Martin Achleitner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Philip Walther
DOI
10.25365/thesis.78870
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23333.01220.616566-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Quantenzufallszahlengeneratoren (QRNG) sind Geräte, die durch Nutzung quantenmechanische Effekte, Zufallszahlen erzeugen. Zufallszahlen werden beispielsweise häufig in der Kryptographie, bei Anwendungen zur künstlichen Intelligenz und Simulationen, aber auch in Spielen oder Lotterie verwendet [1, 2]. Besonders für Kryptographie ist die Zufälligkeit und Unvorhersagbarkeit der Zahlen wichtig um die Sicherheit der Verschlüsselung zu gewährleisten. Bei einem klassischen Zufallszahlen Generator wird ein deterministischer Prozess als Entropiequelle verwendet, bei dem jedoch mit ausreichender Rechenleistung und mit ausreichender Information das Ergebnis vorhersagbar ist. Da diese Technologie besonders ausgereift ist, gibt es bereits funktionierende Geräte am Markt. [2] Kosten und Größe von QRNGs müssen reduziert werden, um für mobile und IoT-Geräte praktikabel zu werden. Integrierte Photonik bietet eine Möglichkeit der Miniaturisierung, Erhöhung der Stabilität und zu einer potenziellen Kostensenkung. Aus diesem Grund wurde eine polymerbasierte photonische Integrationsplattform (PolyBoard), die vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut entwickelt wurde, vorgestellt welche als hochleistungsfähiger QRNG fungieren wird. Der PolyBoard QRNG wird mit einem gepulsten Laser gespeist und am Ausgang von einem SPADs (Single Photon Avalanche Detektor) array gemessen. Ein Bulk-QRNG-Aufbau wurde ebenfalls als Proof-of-concept realisiert um als Grundlage für die Entwicklung des am Polyboard integrierten QRNG zu fungieren. Allgemein bestehen Quantenzufallszahlengeneratoren aus einer Entropiequelle, Messgeräten und der Nachbearbeitung der gemessenen Rohdaten. Da die erzeugte rohe Zufälligkeit der Zahlen noch Korrelationen enthalten kann, ist ein Nachbearbeitungsalgorithmus erforderlich um eine gleichmäßige verteilte und unvorhersagbare Zahlenfolge zu erhalten. Die Nachbearbeitung enthält eine "Randomness extraction" welche eine Berechnung der min-entropy erfordert. In dieser Masterarbeit wurden eine schnelle und hochqualitative Erzeugung von Quantenzufallszahlen realisiert, was in einer rohen Zufallszahlen bitrate von 4Mbit/s mit einer min-entropy von 0.74 resultierte.
Abstract
(Englisch)
Quantum random number generators (QRNG) are devices that use quantum mechanical effects to produce random numbers. Random numbers are widely used, for example in cryptography, artificial intelligence and simulation but also in games or lottery [1, 2]. Especially for cryptography it is important that these numbers are truly random and unpredictable to ensure security. A classical random number generator uses a deterministic process as entropy source, which would make the outcome, with enough computational power and sufficient information, predictable. Cost and form factors of a QRNG must come down to become feasible for mobile and IoT devices. However because of the maturity of this technology there are already working devices on the market [2]. Integrated photonics offer a way to minituarize as well as increase stability and potentially reduce costs. For this reason a polymer-based photonic integration platform(PolyBoard), which was developed by the Fraunhofer Heinrich-Hertz Institute is introduced here, which will act as a high performance QRNG. The PolyBoard QRNG is fed by a pulsed laser and the output is measured by an array of SPAD’s (Single Photon Avalanche Detectors). A bulk QRNG setup was also developed as a proof of concept for the development of the QRNG based on polymer waveguides. Quantum random number generators consist of an entropy source, measurement equipment and the post-processing of the measured raw data. The produced raw randomness might still include bias and correlations, thus a post-processing algorithm is required to get a uniformly distributed unpredictable random number string. The post-processing includes a randomness extractor which requires a min-entropy calculation. In this master thesis work high quality and fast quantum random numbers were generated with a raw random number bitrate of 4Mbit/s and a min-entropy value of 0.74.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenzufallszahlengenerator Quanteninformation
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum random number generator Quantum information
Autor*innen
Martin Achleitner 
Haupttitel (Englisch)
A quantum random number generator based on a polymer photonic-integration platform
Paralleltitel (Deutsch)
Ein Quantenzufallszahlengenerator basierend auf einer Polymer-Photonik-Integrationsplattform
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
91 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philip Walther
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17596737
Utheses ID
75985
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |