Projekt

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Self-testing Quantum Random Number Generator

Titel Englisch Self-testing Quantum Random Number Generator
Gesuchsteller/in Zbinden Hugo
Nummer 176517
Förderungsinstrument Bridge - Discovery
Forschungseinrichtung GAP-Optique Université de Genève
Hochschule Universität Genf - GE
Hauptdisziplin Mikroelektronik, Optoelektronik
Beginn/Ende 01.10.2018 - 30.09.2020
Bewilligter Betrag 787'050.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Mikroelektronik, Optoelektronik
Andere Gebiete der Physik

Keywords (3)

Data security; Quantum Random Number Generation; embedded digital circuits

Lay Summary (Französisch)

Lead
Ce projet développe un nouveau type de générateur de nombres aléatoires quantique ultra-sécurisé, permettant à l’utilisateur de vérifier en temps réel la qualité de l’aléa généré.
Lay summary

La génération de nombres aléatoires joue un rôle clé pour la science et la technologie, par exemple pour la cryptographie. Il est primordial que les nombres générés soient vraiment aléatoires, car tout biais peut mettre la sécurité en péril, comme l’ont démontré de récentes attaques de protocoles cryptographiques. Dans ce contexte, la possibilité d’utiliser l’aléa quantique est très attractive, et les générateurs de nombres aléatoires quantiques (QRNG) sont maintenant commercialisés.

Toutefois, un point faible des QRNGs actuels est le manque de moyens pour estimer l’entropie générée, c’est-à-dire la qualité de l’aléa. Ceci est critique, car une estimation incorrecte de l’entropie peut ouvrir des brèches dans la sécurité. En pratique, il est difficile d’estimer l’entropie produite, à cause de la présence d’inévitables imperfections techniques des composants. La question est donc comment différencier le bruit technique (dû par exemple à l’usure et vieillissement des composants) du véritable aléa quantique ?

Récemment, nous avons développé le concept d’un QRNG « self-testing », offrant une solution à ce problème. Ici l’utilisateur peut ici estimer en temps réel l’entropie générée, et donc garantir la génération continue d’aléa d’excellente qualité. Cette invention allie grande sécurité avec simplicité d’implémentation. L’objectif principal de ce projet est de concevoir et de réaliser un démonstrateur compact et low-cost pour un QRNG self-testing. Au niveau purement scientifique, le projet établira des liens entre la recherche fondamentale sur le hasard en physique quantique et les technologies commerciales.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 22.01.2018

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
159592 Experimental Device independent Quantum Communication 01.07.2015 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

The generation of random numbers plays a crucial role in many applications in science and technology, in particular for simulation and cryptography. It is of fundamental importance that the generated numbers are truly random, as any deviation may jeopardize security. Notably, recent breaches of cryptographic protocols have exploited weaknesses in the random number generation. In this context, schemes exploiting the inherent randomness of quantum physics have been extensively investigated. Quantum random number generation (QRNG) devices are now commercially available, which arguably represents one of the most successful developments of quantum technologies so far.Despite this success, recent developments have pinpointed a general weakness and limitation of standard QRNG devices (including all commercial ones). Specifically, these devices fail to provide an accurate estimate of the entropy (i.e. quantifying how much randomness is generated in the quantum process). This has been recognized as a crucial issue for QRNG, since a poor entropy estimate may open security breaches. In practice it is usually challenging to accurately estimate entropy, since the implementation of any QRNG device is prone to unavoidable technical imperfections that lead to noise. How can one differentiate this noise from true quantum randomness? Even more importantly, the performance of a QRNG device may degrade over time. If the device malfunctions (or even breaks), low quality randomness (or even no randomness at all) may be generated without the user being aware of it.Recently, we have proposed a promising solution for addressing the above problems, by developing a “self-testing” QRNG scheme. Here, the user can operate the QRNG device while simultaneously testing it, and thus certify the continuous generation of truly random numbers. Specifically, the generator can quantify the amount of quantum entropy generated by the system in real time, and unambiguously separate it from technical noise. This scheme combines strong security and ease of implementation, as we demonstrated in a proof-of-principle experiment, achieving randomness generation rates comparable to commercial QRNGs (~10 MHz). The main objective of the present project is to develop a demonstrator for self-testing QRNG. This demonstrator should be compact, simple to use, and achieve high rates. Importantly it should comprise only standard optical and electronic components, in order to ensure low cost. In turn, the demonstrator will place us in an ideal position for approaching industrial partners, and thus to potentially launch the commercial development of self-testing QRNG. On the scientific level, the project will bridge the gap between abstract device-independent quantum information processing and commercial quantum technology.
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