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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-15
(45)【発行日】2024-10-23
(54)【発明の名称】乱数発生装置
(51)【国際特許分類】
G09C 1/00 20060101AFI20241016BHJP
G06F 7/58 20060101ALI20241016BHJP
【ＦＩ】
G09C1/00 650B
G06F7/58 680
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021026425
(22)【出願日】2021-02-22
(65)【公開番号】P2022128092
(43)【公開日】2022-09-01
【審査請求日】2024-02-01
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】593171592
【氏名又は名称】学校法人玉川学園
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100154748
【弁理士】
【氏名又は名称】菅沼 和弘
(72)【発明者】
【氏名】加藤 研太郎
(72)【発明者】
【氏名】二見 史生
(72)【発明者】
【氏名】谷澤 健
(72)【発明者】
【氏名】廣田 修
【審査官】平井 誠
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５２８５２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１１４８８９９３（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００９－０７０００９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１２７９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０８２６７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８５６３４２２（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０９Ｃ １／００－５／００
Ｈ０４Ｌ ９／００－４０
Ｇ０６Ｆ ７／５８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の第１光信号を発生させる光信号発生部と、前記第１光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号を第１単位として分割する分割部と、
前記Ｎ個の前記第１単位毎に、前記第２光信号の等分信号の夫々の信号強度を測定する測定部と、
前記Ｎ個の前記第１単位毎に、前記測定部の測定において発生したショット雑音が夫々重畳した前記等分信号の前記信号強度の差分と当該差分の統計的な平均値との比較結果に基づいて第１乱数を生成し、前記Ｎ個の前記第１単位毎の前記第１乱数を合成することで第２乱数を生成する合成部と、
を備える乱数発生装置。
【請求項2】
前記乱数発生装置は、前記分割部と前記測定部と前記合成部とを１つの第２単位として、Ｍ個（Ｍは２以上の整数値）の前記第２単位を有する、
請求項１に記載の乱数発生装置。
【請求項3】
前記光信号発生部は、前記第１光信号の雑音強度を増幅するための機構を有する、
請求項１又は２に記載の乱数発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、乱数発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、情報通信においてセキュリティ対策の重要性が高まっている。インターネットを構成するネットワークシステムは、国際標準化機構に依り策定されたＯＳＩ参照モデルで記述される。ＯＳＩ参照モデルでは、レイヤ１の物理層からレイヤ７のアプリケーション層までに分離され、夫々のレイヤを結ぶインターフェースが標準化、又は、デファクトにより規格化されている。このうち最下層となるのが、有線・無線で実際に信号の送受信を行う役割を担う物理層である。
現状、セキュリティ（多くの場合数理暗号に依る）は、レイヤ２以上で実装されており、物理層ではセキュリティ対策が施されていない。しかしながら、物理層でも盗聴の危険性がある。
例えば、有線通信の代表である光ファイバ通信では、光ファイバに分岐を導入し、信号パワーの一部を取り出すことで大量の情報を一度に盗み出すことが原理的に可能である。そこで、本出願人は、物理層における暗号化技術として、例えば特許文献１に挙げる所定のプロトコルの開発を行っている。
現状、セキュリティ（多くの場合数理暗号に依る）は、レイヤ２以上で実装されており、物理層ではセキュリティ対策が施されていない。しかしながら、物理層でも盗聴の危険性がある。
例えば、有線通信の代表である光ファイバ通信では、光ファイバに分岐を導入し、信号パワーの一部を取り出すことで大量の情報を一度に盗み出すことが原理的に可能である。そこで、本出願人は、物理層における暗号化技術として、例えば特許文献１に挙げる所定のプロトコルの開発を行っている。
【0003】
また、光ファイバ通信技術の飛躍的な発展により、物理層における通信速度は年々向上している。具体的には例えば、一般向けには１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）の通信機材普及しつつあり、先端研究レベルではＰｂｐｓ（ペタビット毎秒）級の通信機材の開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許５１７０５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
物理層における暗号化において、物理層（例えば、光信号の階層）における通信速度に対応した乱数の生成が重要となる。即ち、物理層における暗号の強度を向上させたり担保させたりするためには、乱数の生成の速度の向上も必要となる。
また、生成される乱数は、独立性の高い乱数であると好適である。そこで、所定のアルゴリズムに基づいて生成される擬似乱数ではなく、物理現象等に基づいて生成される真性乱数であることが望ましい。
更に言えば、実用化において、製造コストの削減も重要な課題である。
これらの課題の一部又は全部をバランスよく解決することが求められる。
また、生成される乱数は、独立性の高い乱数であると好適である。そこで、所定のアルゴリズムに基づいて生成される擬似乱数ではなく、物理現象等に基づいて生成される真性乱数であることが望ましい。
更に言えば、実用化において、製造コストの削減も重要な課題である。
これらの課題の一部又は全部をバランスよく解決することが求められる。
【0006】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、品質の高い乱数の発生速度を向上させる技術を低コストで実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明の一態様の乱数発生装置は、
所定の第１光信号を発生させる光信号発生部と、
前記第１光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号を単位として分割する分割部と、
前記Ｎ個の第２光信号の夫々の信号強度を測定する測定部と、
前記測定部の測定において発生したショット雑音が夫々重畳したＮ個の信号強度の夫々と基準との比較結果の夫々を用いて、１単位の乱数を合成する合成部と、
を備える。
所定の第１光信号を発生させる光信号発生部と、
前記第１光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号を単位として分割する分割部と、
前記Ｎ個の第２光信号の夫々の信号強度を測定する測定部と、
前記測定部の測定において発生したショット雑音が夫々重畳したＮ個の信号強度の夫々と基準との比較結果の夫々を用いて、１単位の乱数を合成する合成部と、
を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、真性乱数の発生速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る乱数発生装置のうち、基本構成を有する乱数発生装置の構成、即ち、１つの基本乱数発生部を採用した乱数発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る乱数発生装置のうち、基本構成対して減衰部を付加した乱数発生装置の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る乱数発生装置のうち、複数の基本構成を有する乱数発生装置の構成、即ち、Ｍ個（Ｍは２以上の整数値）の基本乱数発生部を採用した乱数発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0011】
図１は、本発明の一実施形態に係る乱数発生装置のうち、基本構成を有する乱数発生装置の構成、即ち、１つの基本乱数発生部を採用した乱数発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
図１の例の基本構成を有する乱数発生装置１は、光源部１１と、基本乱数発生部１２とを含むように構成されている。
図１の例の基本構成を有する乱数発生装置１は、光源部１１と、基本乱数発生部１２とを含むように構成されている。
【0012】
光源部１１は、所定の第１光信号を発生させる。即ち例えば、光源部１１は、レーザ光源を含んで構成され、所定の周波数のレーザ光を第１光信号として発生させる。図１の例において光源部１１は、｜α’＞で表される第１光信号を発生させている。
ここで、図１において、「｜α’＞」で表される第１光信号を、「光信号Ａ１」と呼ぶ。
光源部１１により発生された光信号Ａ１は、光路ＬＯ１１を介して、後述の基本乱数発生部１２に提供される。
ここで、図１において、「｜α’＞」で表される第１光信号を、「光信号Ａ１」と呼ぶ。
光源部１１により発生された光信号Ａ１は、光路ＬＯ１１を介して、後述の基本乱数発生部１２に提供される。
【0013】
ここで、光路ＬＯ１１は、光信号Ａ１の伝送路であって、例えば光ファイバ等により構成される。
なお、以下、伝送路のうち光信号を伝送する光路について、ＬＯから始まる符号を付して説明する。これに対し、後述する電気信号の伝送路、即ち、伝送路のうち電気信号を伝送するものについて、ＬＥから始まる符号を付して説明する。なお、電気信号の伝送路は１本以上の伝送路を含んで構成され、適宜アナログ信号やデジタル信号を伝送することができるが、本実施形態の説明においては便宜的に１本の線を用いて図示する。
なお、以下、伝送路のうち光信号を伝送する光路について、ＬＯから始まる符号を付して説明する。これに対し、後述する電気信号の伝送路、即ち、伝送路のうち電気信号を伝送するものについて、ＬＥから始まる符号を付して説明する。なお、電気信号の伝送路は１本以上の伝送路を含んで構成され、適宜アナログ信号やデジタル信号を伝送することができるが、本実施形態の説明においては便宜的に１本の線を用いて図示する。
【0014】
図１の例の基本乱数発生部１２は、光源部１１から提供された光信号Ａ１に基づいて、乱数ｒを生成する。
図１の例の基本乱数発生部１２は、基本光分割部１１１と、測定部１１２と、基本合成部１１３とを含むように構成されている。
図１の例の基本乱数発生部１２は、基本光分割部１１１と、測定部１１２と、基本合成部１１３とを含むように構成されている。
【0015】
基本光分割部１１１は、光源部１１により発生された光信号Ａ１を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号を単位として分割する。即ち、基本光分割部１１１は、｜α’＞で表される第１光信号を、｜α１＞乃至｜αＮ＞で夫々表される第２光信号を単位として、分割する。
以下、図１の説明において、「｜αｋ＞（ｋは１乃至Ｎのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｋの光信号Ａ」と呼ぶ。
基本光分割部１１１により分割された第１乃至第Ｎの光信号Ａの夫々は、Ｎ個の光路ＬＯ１２－１乃至ＬＯ１２－Ｎの夫々を介して、測定部１１２に提供される。基本光分割部１１１の詳細な構成は、図２を用いて後述する。
以下、図１の説明において、「｜αｋ＞（ｋは１乃至Ｎのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｋの光信号Ａ」と呼ぶ。
基本光分割部１１１により分割された第１乃至第Ｎの光信号Ａの夫々は、Ｎ個の光路ＬＯ１２－１乃至ＬＯ１２－Ｎの夫々を介して、測定部１１２に提供される。基本光分割部１１１の詳細な構成は、図２を用いて後述する。
【0016】
測定部１１２は、第１乃至第Ｎの光信号Ａの夫々の信号強度μ１乃至μＮを測定する。即ち、測定部１１２は、基本光分割部１１１から提供された第ｋの光信号Ａに基づいて、当該第ｋの光信号Ａに関する信号強度μｋを測定する。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の測定部１１２は、フォトダイオードを用いて光信号の信号強度を測定する。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の測定部１１２は、フォトダイオードを用いて光信号の信号強度を測定する。
【0017】
詳細には、図１の例の測定部１１２は、Ｎ個の測定部１２１－１乃至１２１－Ｎを含むように構成されている。
測定部１２１－ｋは、光路ＬＯ１２－ｋを介して提供された第ｋの光信号Ａに基づいて、信号強度μｋを測定する。
具体的には例えば、測定部１２１－ｋは、フォトダイオードを用いて、第ｋの光信号Ａの信号強度μｋを測定する。第ｋの光信号Ａの信号強度μｋは、信号強度μｋに対応した電気信号（電流）として出力される。信号強度μｋに対応した電気信号（電流）は、伝送路ＬＥ１１－ｋを介して基本合成部１１３に提供される。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の測定部１２１－ｋは、２つのフォトダイオードを用いて第ｋの光信号Ａの信号強度μｋを測定する。測定部１１２の詳細な構成は、図３を用いて後述する。
測定部１２１－ｋは、光路ＬＯ１２－ｋを介して提供された第ｋの光信号Ａに基づいて、信号強度μｋを測定する。
具体的には例えば、測定部１２１－ｋは、フォトダイオードを用いて、第ｋの光信号Ａの信号強度μｋを測定する。第ｋの光信号Ａの信号強度μｋは、信号強度μｋに対応した電気信号（電流）として出力される。信号強度μｋに対応した電気信号（電流）は、伝送路ＬＥ１１－ｋを介して基本合成部１１３に提供される。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の測定部１２１－ｋは、２つのフォトダイオードを用いて第ｋの光信号Ａの信号強度μｋを測定する。測定部１１２の詳細な構成は、図３を用いて後述する。
【0018】
基本合成部１１３は、測定部１１２の測定において発生したショット雑音が夫々重畳したＮ個の信号強度μ１乃至μＮの夫々と基準との比較結果の夫々に基づいて、１単位の乱数ｒを合成する。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の基本合成部１１３は、１単位として１ビットの乱数ｒを生成する。即ち、本実施形態の基本合成部１１３は、Ｎ個の信号強度μ１乃至μＮの夫々の基準との比較結果の夫々に基づいて、１ビットの乱数ｒを合成する。基本合成部１１３の詳細な構成は、図４を用いて後述する。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の基本合成部１１３は、１単位として１ビットの乱数ｒを生成する。即ち、本実施形態の基本合成部１１３は、Ｎ個の信号強度μ１乃至μＮの夫々の基準との比較結果の夫々に基づいて、１ビットの乱数ｒを合成する。基本合成部１１３の詳細な構成は、図４を用いて後述する。
【0019】
ここで、ショット雑音は、光が量子性をもつことに起因する雑音であり、真にランダムであり、原理的に取り除けないという特徴を有する。即ち、測定部１１２により測定された信号強度μ１乃至μＮは、ランダムな揺らぎを有する。本実施形態の乱数発生装置１は、このようにショット雑音といった原理的に取り除くことが不可能なノイズに基づくことで、真性乱数を発生させるものである。
【0020】
このように、基本乱数発生部１２は、基本光分割部１１１と、測定部１１２と、基本合成部１１３とにより、光源部１１から提供された光信号Ａ１に基づいて、１ビットの乱数ｒを生成する。
【0021】
なお、基本乱数発生部１２は、時系列的に１ビットの乱数ｒを生成することで複数ビットの乱数を生成することができる。
即ち、上述の説明では、１単位として１ビットの乱数ｒを、Ｎ個の信号強度μ１乃至μＮの夫々の基準との比較結果の夫々に基づいて、生成するものとして説明した。つまり、基本合成部１１３は、１回の測定における測定値μ１乃至μＮの組に基づいて１ビットの乱数ｒを生成する。
しかしながら、基本合成部１１３は、Ｌ回の測定の夫々において生成したＬ個の１ビットの乱数ｒを発生することにより、複数ビット（例えばＬビット）の乱数を生成することができる。
即ち、上述の説明では、１単位として１ビットの乱数ｒを、Ｎ個の信号強度μ１乃至μＮの夫々の基準との比較結果の夫々に基づいて、生成するものとして説明した。つまり、基本合成部１１３は、１回の測定における測定値μ１乃至μＮの組に基づいて１ビットの乱数ｒを生成する。
しかしながら、基本合成部１１３は、Ｌ回の測定の夫々において生成したＬ個の１ビットの乱数ｒを発生することにより、複数ビット（例えばＬビット）の乱数を生成することができる。
【0022】
このようにして、基本乱数発生部１２は、１単位の乱数ｒを発生する。発生された乱数ｒは、適宜他の装置に供給される。具体的には例えば、物理層の暗号化のための装置に供給される。
また例えば、乱数発生装置は、複数の基本乱数発生部１２を含んで構成されてもよい。この場合、複数の基本乱数発生部１２の夫々から生成された乱数ｒの夫々は、再度合成される。複数の基本構成を有する乱数発生装置の構成の例の詳細は図５を用いて後述する。
また例えば、乱数発生装置は、複数の基本乱数発生部１２を含んで構成されてもよい。この場合、複数の基本乱数発生部１２の夫々から生成された乱数ｒの夫々は、再度合成される。複数の基本構成を有する乱数発生装置の構成の例の詳細は図５を用いて後述する。
【0023】
ここで、乱数発生装置１の構成要素であるフォトダイオード等は、従来から一般的に存在する光信号の信号処理装置と基本的に同様の構成を採用することができる従来の光信号処理における一般的な手法である。つまり、上述のように光源部１１や、基本光分割部１１１の構成要素として、従来から一般的に存在する光信号の信号処理装置と基本的に同様の構成を一部又は全部に採用することが可能である。つまり、一般に流通している構成要素を用いることができるため、乱数発生装置１の製造等における金銭的コストや設計コストが削減される。
【0024】
また、本実施形態の乱数発生装置１では、上述のように、測定部１１２の測定結果である信号強度μ１乃至μＮを用いて乱数を合成することにより、乱数を発生させる。この時、測定部１１２の測定において発生したショット雑音を含む信号強度μ１乃至μＮ、つまり、信号強度μ１乃至μＮの揺らぎに基づいて乱数が発生する。一方で、擬似乱数を発生させる場合、所定のアルゴリズムに基づいて演算を行う必要が有り、高速に品質（独立性や一様性）の高い擬似乱数を生成するためには速度に応じたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の性能向上が必要となりコストがかさんでしまう。
【0025】
本実施形態の乱数発生装置１においても、上述した物理層における暗号の強度を向上させたり担保させたりするためには、その物理層の通信速度の向上と共に、乱数の生成の速度の向上も必要となる。しかしながら、物理層の通信に用いられる一般的に存在する光信号の信号処理装置と共通の構成要素を有することで、物理層の通信速度の向上と共に、本実施形態の乱数発生装置による乱数の生成の速度の向上も達成されると言える。
【0026】
図２は、図１の乱数発生装置のうち基本分割部のより詳細な構成の一例を示すブロック図である。
即ち、図２の例の基本光分割部１１１は、図１の乱数発生装置１の基本光分割部１１１として採用される。また、詳しくは図５等を用いて後述するが、複数の基本乱数発生部１２を有する乱数発生装置の構成採用した乱数発生装置１を構成する並列分割部としても採用され得るものである。
そこで、図２の例の基本光分割部１１１の説明では、図１の説明において基本光分割部１１１に入力や出力された光信号の符号とは異なる符号を用いて説明する。
即ち、図２の例の基本光分割部１１１は、図１の乱数発生装置１の基本光分割部１１１として採用される。また、詳しくは図５等を用いて後述するが、複数の基本乱数発生部１２を有する乱数発生装置の構成採用した乱数発生装置１を構成する並列分割部としても採用され得るものである。
そこで、図２の例の基本光分割部１１１の説明では、図１の説明において基本光分割部１１１に入力や出力された光信号の符号とは異なる符号を用いて説明する。
【0027】
図２の基本光分割部１１１は、｜α’’＞で表される第１光信号を、｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号を単位として、分割する。
【0028】
例えば、図２に示すように、基本光分割部１１１は、複数のハーフビームスプリッタと、ミラーとを含んで構成され、これらの間は、光路を介して接続されている。
ここで、「ハーフビームスプリッタ」とは、入射された光信号のうち、半分の強度の光信号を透過し、半分の強度の光信号を反射するものである。
また、「ミラー」とは、入射された光信号のうち、全部の強度の光信号を反射するものである。
ここで、「ハーフビームスプリッタ」とは、入射された光信号のうち、半分の強度の光信号を透過し、半分の強度の光信号を反射するものである。
また、「ミラー」とは、入射された光信号のうち、全部の強度の光信号を反射するものである。
【0029】
即ち、図２に示すように、基本光分割部１１１は、｜α’’＞で表される第１光信号を、ハーフビームスプリッタとミラーとを用いて繰り返し分割することで、｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割する。
【0030】
以下、図２を用いて２段階目までの分割の例について説明する。
図２の例において、｜α’’＞で表される第１光信号は、光路ＬＯ２１を介して入力される。光路ＬＯ２１を介して入力された第１光信号は、ハーフビームスプリッタＨＢＳ１により分割される。分割された光信号のうち、ハーフビームスプリッタＨＢＳ１を透過した光信号は、光路ＬＯ２２－１に提供される。また、分割された光信号のうちハーフビームスプリッタＨＢＳ１を反射した光信号は、光路ＬＯ２２－２に提供される。なお、光路ＬＯ２２－２に提供された光信号は、ミラーＭ１により反射され、光路２２－１に提供された光信号と同様の方向（図２における右方向）に進行する。
図２の例において、｜α’’＞で表される第１光信号は、光路ＬＯ２１を介して入力される。光路ＬＯ２１を介して入力された第１光信号は、ハーフビームスプリッタＨＢＳ１により分割される。分割された光信号のうち、ハーフビームスプリッタＨＢＳ１を透過した光信号は、光路ＬＯ２２－１に提供される。また、分割された光信号のうちハーフビームスプリッタＨＢＳ１を反射した光信号は、光路ＬＯ２２－２に提供される。なお、光路ＬＯ２２－２に提供された光信号は、ミラーＭ１により反射され、光路２２－１に提供された光信号と同様の方向（図２における右方向）に進行する。
【0031】
同様に、光路ＬＯ２２－１に提供された光信号のうち、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により透過された光信号は光路ＬＯ２３－１に提供され、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により反射された光信号は光路ＬＯ２３－２に提供される。
また、光路ＬＯ２２－２に提供された光信号のうち、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により透過された光信号は光路ＬＯ２３－３に提供され、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により反射された光信号は光路ＬＯ２３－４に提供される。
また、光路ＬＯ２２－２に提供された光信号のうち、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により透過された光信号は光路ＬＯ２３－３に提供され、ハーフビームスプリッタＨＢＳ２－１により反射された光信号は光路ＬＯ２３－４に提供される。
【0032】
図２の下部には、基本光分割部１１１の構成について、左から順に「１／２」、「１／４」及び「１／Ｎ」と示されている。即ち、「１／２」とは、光路面ＬＯ２２－１及びＬＯ２２－２に提供された光信号は、｜α’’＞で表される第１光信号を１段階の分割をしたため、１／２の強度であることを示している。
同様に、「１／４」とは、光路ＬＯ２３－１乃至ＬＯ－４に提供された光信号は、｜α’’＞で表される第１光信号を２段階の分割をしたため、１／４の強度であることを示している。
図２において点線により示すように、基本光分割部１１１は、光信号を複数段回の分割をすることで、｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割することができる。その結果、基本光分割部１１１は、図２において「１／Ｎ」と示されているように、１／Ｎの強度のＮ個の｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割する。
同様に、「１／４」とは、光路ＬＯ２３－１乃至ＬＯ－４に提供された光信号は、｜α’’＞で表される第１光信号を２段階の分割をしたため、１／４の強度であることを示している。
図２において点線により示すように、基本光分割部１１１は、光信号を複数段回の分割をすることで、｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割することができる。その結果、基本光分割部１１１は、図２において「１／Ｎ」と示されているように、１／Ｎの強度のＮ個の｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割する。
【0033】
このように、基本光分割部１１１は、１個の光信号を、半分の強度の２個の光信号に分割する操作を繰り返すことにより、分割する。なお、基本光分割部１１１は、光信号を分割することができれば足り、上述した図２の構成、即ち、ハーフビームスプリッタとミラーを用いた構成に限定されない。具体的には例えば、基本光分割部１１１には、ＰＬＣスプリッタ、即ち、１本の光ファイバを複数の光ファイバに分岐するスプリッタが採用されてもよい。
【0034】
図３は、図１の乱数発生装置のうち光源部及び測定部のより詳細な構成の一例を示すブロック図である。
図３の光源部１１及び基本光分割部１１１は、減衰部１３を介して接続されている。
そこで、図３の例の基本光分割部１１１の説明では、図１及び図２の説明における光信号とは異なる符号を用いて説明する。
図３の光源部１１及び基本光分割部１１１は、減衰部１３を介して接続されている。
そこで、図３の例の基本光分割部１１１の説明では、図１及び図２の説明における光信号とは異なる符号を用いて説明する。
【0035】
図３に示す光源部１１は、｜α’’’＞で表される第１光信号を発生させる。
｜α’’’＞で表される第１光信号は、減衰部１３に提供される。
｜α’’’＞で表される第１光信号は、減衰部１３に提供される。
【0036】
【0037】
図３に示す基本光分割部１１１は、図１及び図２において説明した基本光分割部１１１と基本的に同様の構成を有している。即ち、基本光分割部１１１は、｜α’’＞で表される光信を、Ｎ個の｜α’１＞乃至｜α’Ｎ＞で表される第２光信号に分割する。
以下、図３の説明において、「｜α’ｋ＞（ｋは１乃至Ｎのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｋの光信号Ａ１」と呼ぶ。
以下、図３の説明において、「｜α’ｋ＞（ｋは１乃至Ｎのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｋの光信号Ａ１」と呼ぶ。
【0038】
図３に示す測定部１１２は、Ｎ個の光信号の夫々を測定するＮ個の測定部１２１－１乃至１２１－Ｎを有する。
【0039】
以下、第ｋの光信号Ａ１を測定する測定部１２１－ｋについて説明する。
測定部１２１－ｋは、ハーフビームスプリッタＨＢＳと、フォトダイオードＰＤ－Ａ及びＰＤ－Ｂを含んで構成される。
測定部１２１－ｋは、ハーフビームスプリッタＨＢＳと、フォトダイオードＰＤ－Ａ及びＰＤ－Ｂを含んで構成される。
【0040】
測定部１２１－ｋは、光路ＬＯ３１を介して、第ｋの光信号Ａ１を提供される。第ｋの光信号Ａ１は、ハーフビームスプリッタＨＢＳにより、｜αｋ（Ａ）＞で表される光信号及び｜αｋ（Ｂ）＞で表される光信号に等分される。
【0041】
｜αｋ（Ａ）＞で表される光信号及び｜αｋ（Ｂ）＞で表される光信号の夫々は、フォトダイオードＰＤ－Ａ及びＰＤ－Ｂの夫々により測定される。
【0042】
ここで、フォトダイオードは、測定（受光）した光信号の強度に応じた電流を出力する。そこで、図３に示すように、フォトダイオードＰＤ－Ａにおいて測定された｜αｋ（Ａ）＞で表される光信号の信号強度を、電流Ｉｋ（Ａ）と呼ぶ。また、フォトダイオードＰＤ－Ｂにより測定された｜αｋ（Ｂ）＞で表される光信号の信号強度の測定値を、電流Ｉｋ（Ｂ）と呼ぶ。
【0043】
上述の通り、｜αｋ（Ａ）＞で表される光信号及び｜αｋ（Ｂ）＞で表される光信号は、ハーフビームスプリッタＨＢＳにより等分された光信号であるが、フォトダイオードＰＤ－Ａ及びＰＤ－Ｂの夫々により測定される際に、ショット雑音が重畳される。
具体的には、電流Ｉｋ（Ａ）は、測定（受光）した光子数に比例する。この時、ショット雑音は、光子数に応じたポアソン分布に従う。
その結果、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の夫々は、夫々異なるショット雑音が重畳される。
具体的には、電流Ｉｋ（Ａ）は、測定（受光）した光子数に比例する。この時、ショット雑音は、光子数に応じたポアソン分布に従う。
その結果、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の夫々は、夫々異なるショット雑音が重畳される。
【0044】
ここで、電流Ｉｋ（Ａ）及び電流Ｉｋ（Ｂ）は、図１の説明における測定値μｋの一例である。図３の基本合成部１１３は、電流Ｉｋ（Ａ）及び電流Ｉｋ（Ｂ）を含む測定値μ１乃至μＮに基づいて、１ビットの乱数ｒを合成する。このような電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を用いた場合における基本合成部１１３における合成の例は、図４を用いて説明する。
【0045】
このように、ハーフビームスプリッタＨＢＳにより分割（等分）された２つの光信号を夫々測定した電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の夫々は、ショット雑音により異なる大きさとなる。しかしながら、２つの光信号は、基本的に等分されて生成されているため、統計的には、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の大きさの平均値は同一となる。
【0046】
その結果、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の差分の統計的な平均値は、ゼロとなる。しかしながら、個々のタイミング（時刻）における電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の差分は、ショット雑音により変動し、ゼロより大きい確率とゼロより小さい確率が同一となる。
具体的には例えば、ゼロを基準として大きい場合に１、小さい場合にゼロとなるような乱数を生成することで、真性乱数を生成することができる。
そこで、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の差分を取ることを前提として、図３においては電流Ｉｋ（Ｂ）にマイナスの符号を付して示している。
以下、図４を用いて、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を用いた乱数の合成の詳細について説明する。
具体的には例えば、ゼロを基準として大きい場合に１、小さい場合にゼロとなるような乱数を生成することで、真性乱数を生成することができる。
そこで、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の差分を取ることを前提として、図３においては電流Ｉｋ（Ｂ）にマイナスの符号を付して示している。
以下、図４を用いて、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を用いた乱数の合成の詳細について説明する。
【0047】
【0048】
図４に示す基本合成部１１３は、図３の測定部１１２が採用された場合、即ち、測定値μｋの一例として、電流Ｉｋ（Ａ）及び電流Ｉｋ（Ｂ）が採用された場合における一例である。
図４に示す基本合成部１１３は、加算器ＡＤＤと、比較器ＣＯＭＰと、排他的論理和演算器ＸＯＲを含んで構成される。
基本合成部１１３を構成する加算器ＡＤＤと比較器ＣＯＭＰにより、測定値μ１乃至μＮの夫々に基づいて乱数ｂ１乃至ｂＮが生成される。以下、測定値μｋを構成する電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）に基づいて乱数ｂｋを生成する構成について説明する。
図４に示す基本合成部１１３は、加算器ＡＤＤと、比較器ＣＯＭＰと、排他的論理和演算器ＸＯＲを含んで構成される。
基本合成部１１３を構成する加算器ＡＤＤと比較器ＣＯＭＰにより、測定値μ１乃至μＮの夫々に基づいて乱数ｂ１乃至ｂＮが生成される。以下、測定値μｋを構成する電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）に基づいて乱数ｂｋを生成する構成について説明する。
【0049】
加算器ＡＤＤは、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を加算する。ここで、電流Ｉｋ（Ｂ）は、負の値である。その結果、加算器ＡＤＤは、加算した結果として電流Ｉｋを出力する。
ここで、図３を用いて説明したように、ショット雑音による影響の揺らぎはあるものの、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の大きさの平均値は、基本的に同一となる。即ち電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を加算した結果である電流Ｉｋの平均値は、ゼロとなる。しかしながら、測定部１２１－ｋの測定において発生したショット雑音により、電流Ｉｋは、ゼロの周囲で変動する。
ここで、図３を用いて説明したように、ショット雑音による影響の揺らぎはあるものの、電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）の大きさの平均値は、基本的に同一となる。即ち電流Ｉｋ（Ａ）及びＩｋ（Ｂ）を加算した結果である電流Ｉｋの平均値は、ゼロとなる。しかしながら、測定部１２１－ｋの測定において発生したショット雑音により、電流Ｉｋは、ゼロの周囲で変動する。
【0050】
次に、比較器ＣＯＭＰは、加算器ＡＤＤにより出力された電流Ｉｋを、基準であるゼロ比較することにより、乱数ｂｋを生成する。即ち例えば、比較器ＣＯＭＰは、電流Ｉｋが正の場合に１ビットの乱数ｂｋとして１を生成し、電流Ｉｋが負の場合に１ビットの乱数ｂｋとしてゼロを生成する。電流Ｉｋの平均値はゼロであるため、比較器ＣＯＭＰから生成される乱数ｂｋは１とゼロとが均等に出力される。
【0051】
このように、図３に示す測定部１２１－ｋのように、ハーフビームスプリッタＨＢＳにより等分された２つの光信号について、上述のように加算器ＡＤＤを用いて加算することにより、加算された結果の電流Ｉｋの平均値はゼロとなる。その結果、比較器ＣＯＭＰで比較する際の対象はゼロとすることができる。換言すれば、１とゼロとが均等に出力されるように比較器ＣＯＭＰを調整する際には、比較器ＣＯＭＰの比較対象をゼロとするだけでよい。
【0052】
このように生成された乱数ｂ１乃至ｂＮは、排他的論理和演算器ＸＯＲに入力される。排他的論理和演算器ＸＯＲは、入力された乱数ｂ１乃至ｂＮの排他的論理和を演算し、結果を乱数ｒとして出力する。その結果、例えば、乱数ｂ１乃至ｂＮに含まれる１の数が奇数個の場合１を出力し、１の数が偶数個の場合ゼロを出力する。これにより、乱数ｂ１乃至ｂＮの何れかの組合せにおいて相関（例えば、仮に乱数ｂ１と乱数ｂ２とが７０％の確率で同じ値となるという相関）があったとしても、乱数ｒは真の乱数に近づくという効果が得られる。
【0053】
図１乃至図４を用いて説明してきたように、乱数ｂ１乃至ｂＮは、基本的に同一の光源部１１から発生された第１光信号を、ハーフビームスプリッタＨＢＳ等を用いて等分する等して、同様の測定部１２１－１乃至１２１－Ｎを用いて測定し、生成したものである。つまり、乱数ｂ１乃至ｂＮの夫々は、物理現象に基づく真性乱数であるものの、何らかの要因により相関を持つ可能性が排除できないという性質がある。そこで、図４の基本合成部１１３は、排他的論理和演算器ＸＯＲを有することにより、相関を排除し、乱数としての質を向上させることができる。
【0054】
図５は、図１の乱数発生装置を発展させた構成、即ち、Ｍ個（Ｍは２以上の整数値）の基本乱数発生部を採用した乱数発生装置の一例を示すブロック図である。
図５の乱数発生装置１は、図１乃至図４を用いて説明した基本乱数発生部１２をＭ個有する例を示す図である。即ち、図５の例の乱数発生装置１は、光源部１１と、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍと、並列分割部１４と、並列合成部１５とを備える。
図５の例の光源部１１は、｜α’’＞で表される第１光信号を発生させる。
並列分割部１４は、光源部１１により発生された｜α’’＞で表される第１光信号を、｜α’１＞乃至｜α’Ｍ＞で表される第３光信号として分割する。分割された｜α’１＞乃至｜α’Ｍ＞で表される第３光信号の夫々は、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々により、乱数として出力される。即ち、並列分割部１４は、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々において並列して処理すべく、第１光信号をＭ個の第３光信号に分割する。
以下、図５の説明において、「｜α’ｊ＞（ｊは１乃至Ｍのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｊの光信号Ａ１」と呼ぶ。
並列分割部１４により分割された第１乃至第Ｍの光信号Ａ１の夫々は、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍに提供される。
以下、第ｊの光信号Ａ１を処理する基本乱数発生部１２－ｊについて説明する。
図５の乱数発生装置１は、図１乃至図４を用いて説明した基本乱数発生部１２をＭ個有する例を示す図である。即ち、図５の例の乱数発生装置１は、光源部１１と、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍと、並列分割部１４と、並列合成部１５とを備える。
図５の例の光源部１１は、｜α’’＞で表される第１光信号を発生させる。
並列分割部１４は、光源部１１により発生された｜α’’＞で表される第１光信号を、｜α’１＞乃至｜α’Ｍ＞で表される第３光信号として分割する。分割された｜α’１＞乃至｜α’Ｍ＞で表される第３光信号の夫々は、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々により、乱数として出力される。即ち、並列分割部１４は、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々において並列して処理すべく、第１光信号をＭ個の第３光信号に分割する。
以下、図５の説明において、「｜α’ｊ＞（ｊは１乃至Ｍのうち任意の整数値）」で表される第２光信号を、「第ｊの光信号Ａ１」と呼ぶ。
並列分割部１４により分割された第１乃至第Ｍの光信号Ａ１の夫々は、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍに提供される。
以下、第ｊの光信号Ａ１を処理する基本乱数発生部１２－ｊについて説明する。
【0055】
基本乱数発生部１２－ｊは、第ｊの光信号Ａ１に基づいて、１ビットの乱数ｒｊを生成する。
即ち例えば、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々は、１ビットの乱数ｒ１乃至ｒＭの夫々を生成する。
並列合成部１５は、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々により生成された乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍに基づいて、乱数Ｒを合成する。乱数Ｒは、１ビットの乱数であってもよく、複数ビットの乱数であってもよい。
即ち例えば、基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々は、１ビットの乱数ｒ１乃至ｒＭの夫々を生成する。
並列合成部１５は、Ｍ個の基本乱数発生部１２－１乃至１２－Ｍの夫々により生成された乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍに基づいて、乱数Ｒを合成する。乱数Ｒは、１ビットの乱数であってもよく、複数ビットの乱数であってもよい。
【0056】
並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍを用いて複数ビットの乱数Ｒを合成する場合、乱数を発生させる速度を向上することができる。
具体的には例えば、並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍを連結した乱数を乱数Ｒとする場合、図５の乱数発生装置１が発生する乱数Ｒの生成速度は、１つの基本乱数発生部１２のＭ倍に相当することになり、真性乱数をより高速に発生することが可能となる。
具体的には例えば、並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍを連結した乱数を乱数Ｒとする場合、図５の乱数発生装置１が発生する乱数Ｒの生成速度は、１つの基本乱数発生部１２のＭ倍に相当することになり、真性乱数をより高速に発生することが可能となる。
【0057】
また、並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍを用いて１ビットの乱数Ｒを合成する場合、乱数Ｒの独立性質が向上するという効果を奏する。
具体的には例えば、並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍに基づいて、１ビットの乱数Ｒを合成するときにおいて乱数Ｒの品質（独立性）が向上することに関する詳細は、図６を用いて後述する。
具体的には例えば、並列合成部１５が乱数ｒ－１乃至ｒ－Ｍに基づいて、１ビットの乱数Ｒを合成するときにおいて乱数Ｒの品質（独立性）が向上することに関する詳細は、図６を用いて後述する。
【0058】
以上、本発明が適用される乱数発生装置１の各種各様な実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明が適用される乱数発生装置１は、真性乱数を所定以上の速度で発生させることができれば足り、その構成は上述の実施形態に限定されず、例えば次のようなものであってよい。
【0059】
即ち例えば、図４に示す基本合成部１１３は、比較器ＣＯＭＰと、排他的論理和演算器ＸＯＲを含んで構成され、比較器ＣＯＭＰにより生成された乱数ｂ１乃至ｂＮについて排他的論理和演算器ＸＯＲによる演算の乱数ｒがとして出力するものとした。また、これにより、乱数ｂ１乃至ｂＮの何れかの組合せにおいて相関（例えば、乱数ｂ１と乱数ｂ２とが７０％の確率で同じ値となるという相関）があったとしても、乱数ｒは真の乱数に近づくという効果が得られる。
【0060】
しかしながら、基本合成部１１３による合成の対象となる乱数は、上述の同時に生成された乱数ｂ１乃至ｂＮに限定されない。例えば、図６に示すように、時系列的に生成された乱数を排他的論理和演算器ＸＯＲにより演算して乱数ｒを生成することができる。
以下、時系列的に生成された乱数を排他的論理和演算器ＸＯＲにより演算する例について図６を用いて説明する。
以下、時系列的に生成された乱数を排他的論理和演算器ＸＯＲにより演算する例について図６を用いて説明する。
【0061】
図６は、図４の基本合成部による乱数の合成の一例を示す図である。
図６には、時間Ｔの間にＮ個の測定部１１２－１乃至１１２－Ｎにより測定された測定値μ１乃至μＮの夫々により発生された乱数が模式的に示されている。図示はしないが、図５を用いて説明したように、乱数ｒ１乃至ｒＭの夫々は測定部１１２－１乃至１１２－Ｎの夫々により生成される。測定部１１２－１乃至１１２－Ｎの夫々は、時系列的に時刻Ｔの間に複数の乱数を生成する。
図６には、時間Ｔの間にＮ個の測定部１１２－１乃至１１２－Ｎにより測定された測定値μ１乃至μＮの夫々により発生された乱数が模式的に示されている。図示はしないが、図５を用いて説明したように、乱数ｒ１乃至ｒＭの夫々は測定部１１２－１乃至１１２－Ｎの夫々により生成される。測定部１１２－１乃至１１２－Ｎの夫々は、時系列的に時刻Ｔの間に複数の乱数を生成する。
【0062】
具体的には例えば、図６に示すように、基本乱数発生部１２－ｋは、時間Ｔの間に、乱数ｂｋ（１）乃至ｂｋ（Ｔ）を生成する。図６において、順次生成された乱数が左から右に配置されて図示されている。
即ち、群Ｇ１に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（１）は、同時に生成された乱数である。この場合、上述したように、乱数ｂ１乃至ｂＮの何れかの組合せにおいて相関が発生する可能性が比較的高いと言える。しかしながら、群Ｇ１に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（１）について、排他的論理和演算器ＸＯＲを演算することにより、その結果得られる乱数ｒの独立性は向上する。
即ち、群Ｇ１に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（１）は、同時に生成された乱数である。この場合、上述したように、乱数ｂ１乃至ｂＮの何れかの組合せにおいて相関が発生する可能性が比較的高いと言える。しかしながら、群Ｇ１に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（１）について、排他的論理和演算器ＸＯＲを演算することにより、その結果得られる乱数ｒの独立性は向上する。
【0063】
しかしながら、次に説明する群Ｇ２に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（Ｔ）を用いて演算することにより、乱数ｒの独立性はさらに向上される。
即ち、排他的論理和演算器ＸＯＲは、異なる時刻に生成された乱数群に基づいて結果の乱数ｒを演算する、これにより、
具体的には例えば、群Ｇ２に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（Ｔ）は、各時刻（例えば、（１）乃至（Ｔ）の各時刻）において生成された乱数であって、同時に生成された乱数は存在しない。
即ち、排他的論理和演算器ＸＯＲは、異なる時刻に生成された乱数群に基づいて結果の乱数ｒを演算する、これにより、
具体的には例えば、群Ｇ２に属する乱数ｂ１（１）乃至ｂＮ（Ｔ）は、各時刻（例えば、（１）乃至（Ｔ）の各時刻）において生成された乱数であって、同時に生成された乱数は存在しない。
【0064】
ここで、例えば、乱数同士の相関は、光源部１１や測定部１２１において、同時に発生する可能性が高いと考えられる。具体的には例えば、ある瞬間に光源部１１に変動があった場合、その変動の影響を受けた第１光信号は、基本光分割部１１１により第２光信号に分割されほぼ同時に測定部１１２に到達する。また例えば、測定部１１２に外来の電気ノイズが発生した場合、測定値μ１乃至μＮにおいて相関が発生する可能性も存在する。
そこで、上述したように、排他的論理和演算器ＸＯＲは、異なる時刻に生成された乱数群に基づいて結果の乱数ｒを演算することで、このような相関を除いて排他的論理和を演算し、乱数ｒの独立性を向上させることができる。
そこで、上述したように、排他的論理和演算器ＸＯＲは、異なる時刻に生成された乱数群に基づいて結果の乱数ｒを演算することで、このような相関を除いて排他的論理和を演算し、乱数ｒの独立性を向上させることができる。
【0065】
また例えば、図１や図２を用いて説明したように、光信号は、測定されることによりショット雑音が発生される。しかしながら、真性乱数を発生させるための雑音にはその他の要因による雑音が含まれてもよい。そこで、光源部１１から発生される第１光信号がより大きな雑音をもつようにすることで、乱数発生装置１により発生される乱数ｒを決定づける際における雑音を増加させることができる。
光源部１１から発生される第１光信号の雑音を大きくする方法について、図７を用いて説明する。
光源部１１から発生される第１光信号の雑音を大きくする方法について、図７を用いて説明する。
【0066】
【0067】
図７の例において、光源部１１から出力された光信号は、部分反射ミラーＰＲＭを介して出力される。
具体的には例えば、まず、光源部１１から発生された第１光信号は、光路ＬＯ７１を介して出力される。部分反射ミラーＰＲＭは、一部の光信号を反射し、他の光信号を透過する。即ち、光路ＬＯ７１を介して出力された第１光信号のうち一部の光信号は反射され、光路ＬＯ７２を介して光源部１１へ提供される。また、光路ＬＯ７１を介して出力された第１光信号のうち他の光信号は透過され、光路ＬＯ７３を介して基本光分割部１１１へ提供される。
これにより、光源部１１は、共振器Ｒ１及びＲ２を含む二重共振器構造となる。その結果、基本光分割部１１１へ供給される第１光信号の雑音強度が増強される。
具体的には例えば、まず、光源部１１から発生された第１光信号は、光路ＬＯ７１を介して出力される。部分反射ミラーＰＲＭは、一部の光信号を反射し、他の光信号を透過する。即ち、光路ＬＯ７１を介して出力された第１光信号のうち一部の光信号は反射され、光路ＬＯ７２を介して光源部１１へ提供される。また、光路ＬＯ７１を介して出力された第１光信号のうち他の光信号は透過され、光路ＬＯ７３を介して基本光分割部１１１へ提供される。
これにより、光源部１１は、共振器Ｒ１及びＲ２を含む二重共振器構造となる。その結果、基本光分割部１１１へ供給される第１光信号の雑音強度が増強される。
【0068】
具体的には例えば、上述したように光源部１１には、レーザ光源が採用される。
従来、レーザ光源は、領域Ｒ１からなる光共振器の構造を有し、共振器内の光信号の一部を取り出すことで、コヒーレント光を出力する。このとき、光源部１１は、領域Ｒ１からなる１つの共振器構造を有するからこそ、安定した強度のレーザ光を出力することができる。
従来、レーザ光源は、領域Ｒ１からなる光共振器の構造を有し、共振器内の光信号の一部を取り出すことで、コヒーレント光を出力する。このとき、光源部１１は、領域Ｒ１からなる１つの共振器構造を有するからこそ、安定した強度のレーザ光を出力することができる。
【0069】
一方で、図６に示した共振器Ｒ１及びＲ２を含む二重共振器構造を採用することにより、光源部１１により発光されるレーザ光の強度の安定性を損なわせることで、雑音を増強することができる。
なお、既製品の光源部１１は、レーザ光を照射する対象物（例えば、光学ディスク）からの反射光による影響を軽減するため、光の出力部（光源部１１と光路ＬＯ７１及びＬＯ７２との境界）に光アイソレータを有し、光源部に入射する光（例えば、光路ＬＯ７２を介する光信号）を遮断する構造を有することがある。このような場合、光アイソレータを取り外してもよく、光源部１１の背面（図７の例では左方）から第１光信号の一部を入射してもよい。これにより、同様の効果を奏することができる。
なお、既製品の光源部１１は、レーザ光を照射する対象物（例えば、光学ディスク）からの反射光による影響を軽減するため、光の出力部（光源部１１と光路ＬＯ７１及びＬＯ７２との境界）に光アイソレータを有し、光源部に入射する光（例えば、光路ＬＯ７２を介する光信号）を遮断する構造を有することがある。このような場合、光アイソレータを取り外してもよく、光源部１１の背面（図７の例では左方）から第１光信号の一部を入射してもよい。これにより、同様の効果を奏することができる。
【0070】
しかしながら、このように、二重共振器構造を採用した場合、第１光信号の強度は、時系列的に変動することがある。その結果、例えば、第２光信号の強度も時系列的に変動することとなる。このような第２光信号を前提として、所定の強度の基準との比較結果に基づいて乱数を発生させると、時系列的に乱数の偏りが発生する（乱数の独立性が低下する）恐れがある。
【0071】
そこで、第１光信号の時系列的な変動よりも長いＴを採用し、図６で説明した、合成を行うことで、乱数の独立性を向上させることができる。これにより、個々の時刻における雑音を増強することで、より容易に雑音を乱数に変換することが可能となる。また、雑音の増強に伴って低下した乱数の独立性を再度向上させることができる。
【0072】
以上まとめると、本発明が適用される乱数発生装置は、次のようなものであれば足り、各種各様な実施形態をとることができる。
即ち、本発明が適用される乱数発生装置（例えば図１の乱数発生装置１）は、
所定の第１光信号（例えば、図１の｜α’＞で表される光信号や、図２の｜α’’＞で表される光信号）を発生させる光信号発生部（例えば、図１の光源部１１）と、
前記第１光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号（｜α１＞乃至｜αＮ＞で表される光信号）を単位として分割する分割部（例えば、図１の基本光分割部１１１）と、
前記Ｎ個の第２光信号の夫々の信号強度を測定する測定部（例えば、図１の測定部１２１－１乃至１２１－Ｎ）と、
前記測定部の測定において発生したショット雑音が夫々重畳したＮ個の信号強度の夫々と基準との比較結果の夫々に基づく値を合成することで、１単位の乱数を生成する合成部（例えば、図１の基本合成部１１３）と、
を備える。
即ち、本発明が適用される乱数発生装置（例えば図１の乱数発生装置１）は、
所定の第１光信号（例えば、図１の｜α’＞で表される光信号や、図２の｜α’’＞で表される光信号）を発生させる光信号発生部（例えば、図１の光源部１１）と、
前記第１光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数値）の第２光信号（｜α１＞乃至｜αＮ＞で表される光信号）を単位として分割する分割部（例えば、図１の基本光分割部１１１）と、
前記Ｎ個の第２光信号の夫々の信号強度を測定する測定部（例えば、図１の測定部１２１－１乃至１２１－Ｎ）と、
前記測定部の測定において発生したショット雑音が夫々重畳したＮ個の信号強度の夫々と基準との比較結果の夫々に基づく値を合成することで、１単位の乱数を生成する合成部（例えば、図１の基本合成部１１３）と、
を備える。
【0073】
本発明が適用される乱数発生装置では、測定部の測定において発生したショット雑音に基づいて乱数が生成される。即ち、乱数のランダム性は、所定のアルゴリズムの演算等における疑似乱数の演算過程により発生するものではなく、測定における物理現象として発生したものである。従って、所定のアルゴリズムの演算と比較して、容易に高速な乱数発生を行うことができる。
本発明が適用される乱数発生装置の構成要素（光源部１１、基本光分割部１１１、及び測定部１１２等）の構成は、従来から一般的に存在する光信号の信号処理装置と基本的に同様の構成を採用することができる。つまり、一般に流通している構成要素を用いることができるため、乱数発生装置１の製造等における金銭的コストや設計コストが削減される。
また、信号処理装置は、光信号発生部から発生された第１光信号を、分割部を用いて分割して、Ｎ個の測定部に入力する第２光信号とすることができる。Ｎ個の第２光信号の測定結果に基づいて乱数が合成されることにより、乱数の独立性が向上する。つまり、乱数の品質が向上する。
即ち、よい品質の真性乱数の発生速度を向上させる技術を低コストで簡単に実現できる。
本発明が適用される乱数発生装置の構成要素（光源部１１、基本光分割部１１１、及び測定部１１２等）の構成は、従来から一般的に存在する光信号の信号処理装置と基本的に同様の構成を採用することができる。つまり、一般に流通している構成要素を用いることができるため、乱数発生装置１の製造等における金銭的コストや設計コストが削減される。
また、信号処理装置は、光信号発生部から発生された第１光信号を、分割部を用いて分割して、Ｎ個の測定部に入力する第２光信号とすることができる。Ｎ個の第２光信号の測定結果に基づいて乱数が合成されることにより、乱数の独立性が向上する。つまり、乱数の品質が向上する。
即ち、よい品質の真性乱数の発生速度を向上させる技術を低コストで簡単に実現できる。
【0074】
さらに、
前記乱数発生装置は、前記分割部と前記測定部と前記合成部とを１つの単位（図５の基本乱数発生部１２－Ｋを単位）として、
Ｍ個（Ｍは２以上の整数値）の単位を有する、ことができる。
これにより、Ｍ個の単位の夫々において乱数が生成される。即ち、乱数の生成を並列に行うことにより、真性乱数の発生速度を向上させることができる。また例えば、Ｍ個の乱数からＭ個未満の乱数を生成することにより、乱数の品質を向上させることもできる。
前記乱数発生装置は、前記分割部と前記測定部と前記合成部とを１つの単位（図５の基本乱数発生部１２－Ｋを単位）として、
Ｍ個（Ｍは２以上の整数値）の単位を有する、ことができる。
これにより、Ｍ個の単位の夫々において乱数が生成される。即ち、乱数の生成を並列に行うことにより、真性乱数の発生速度を向上させることができる。また例えば、Ｍ個の乱数からＭ個未満の乱数を生成することにより、乱数の品質を向上させることもできる。
【0075】
さらに、
前記光信号発生部は、
前記第１光信号の雑音強度を増幅するための機構を有する、ことができる。
これにより、第２光信号の雑音強度が増幅し、測定部における信号強度の揺らぎが大きくなる。その結果、信号強度の揺らぎを乱数として合成することが容易となる。
前記光信号発生部は、
前記第１光信号の雑音強度を増幅するための機構を有する、ことができる。
これにより、第２光信号の雑音強度が増幅し、測定部における信号強度の揺らぎが大きくなる。その結果、信号強度の揺らぎを乱数として合成することが容易となる。
【0076】
さらに、
前記合成部は、
同一の時刻の前記第１光信号に基づく前記Ｍ個の乱数を同一時刻乱数群として、
複数の時刻の同一時刻乱数群から夫々取得したＭ個の乱数に基づいて、乱数を合成する、ことができる。
これにより、異なる時刻のＭ個の乱数に基づいて乱数が合成される。このように合成された乱数は、同一時刻のＭ個の乱数に基づいて乱数を合成する場合と比較して、品質が向上される。
前記合成部は、
同一の時刻の前記第１光信号に基づく前記Ｍ個の乱数を同一時刻乱数群として、
複数の時刻の同一時刻乱数群から夫々取得したＭ個の乱数に基づいて、乱数を合成する、ことができる。
これにより、異なる時刻のＭ個の乱数に基づいて乱数が合成される。このように合成された乱数は、同一時刻のＭ個の乱数に基づいて乱数を合成する場合と比較して、品質が向上される。
【符号の説明】
【0077】
１・・・乱数発生装置、１１・・・光源部、１２・・・基本乱数発生部、１３・・・減衰部、１４・・・並列分割部、１５・・・並列合成部、１１１・・・基本光分割部、１１２・・・測定部、１１３・・・基本合成部、１２１・・・測定部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】