3. Optoelektronický generátor náhodných čísel



Podobné dokumenty
Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Institute of Computer Science. Kvantový šumátor a jeho testování

NÁHODNÁ ČÍSLA. F(x) = 1 pro x 1. Náhodná čísla lze generovat některým z následujících generátorů náhodných čísel:

5. Optické počítače. 5.1 Optická propojení

ELEKTRONIKA PRO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU

11. Polovodičové diody

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Návrh frekvenčního filtru

Dyson s Coulomb gas on a circle and intermediate eigenvalue statistics

CZ.1.07/2.2.00/ AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 1 / 30

SEKVENČNÍ LOGICKÉ OBVODY

1 Elektronika pro zpracování optického signálu

Paradoxy kvantové mechaniky

Speciální spektrometrické metody. Zpracování signálu ve spektroskopii

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY. OPTICKÝ SPOJ LR-830/1550 Technický popis

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Analýza optické trasy optickým reflektometrem

- Stabilizátory se Zenerovou diodou - Integrované stabilizátory

Úloha 9. Stavové automaty: grafická a textová forma stavového diagramu, příklad: detektory posloupností bitů.

FVZ K13138-TACR-V004-G-TRIGGER_BOX

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Detekce interakčních sil v proudu vozidel

Charakteristiky optoelektronických součástek

3. Sekvenční logické obvody

Praktické úlohy- 2.oblast zaměření

Úvod do zpracování signálů

5. Sekvenční logické obvody

Základní komunikační řetězec

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Měření teploty, tlaku a vlhkosti vzduchu s přenosem dat přes internet a zobrazování na WEB stránce

Simulační modely. Kdy použít simulaci?

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

SNÍMAČE OPTICKÉ, ULTRAZVUKOVÉ A RÁDIOVÉ

Měřicí řetězec. měřicí zesilovač. převod na napětí a přizpůsobení rozsahu převodníku

... sekvenční výstupy. Obr. 1: Obecné schéma stavového automatu

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Teoretick a elektrotechnika Prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. L eto 2017


4. Na obrázku je rozdělovací funkce (hustota pravděpodobnosti) náhodné veličiny X. Jakou hodnotu musí mít parametr k?

Seznam témat z předmětu ELEKTRONIKA. povinná zkouška pro obor: L/01 Mechanik elektrotechnik. školní rok 2018/2019

Komerční výrobky pro kvantovou kryptografii

Kapacita jako náhodná veličina a její měření. Ing. Igor Mikolášek, Ing. Martin Bambušek Centrum dopravního výzkumu, v. v. i.

DIGI Timer 8 8 kanálové stopky se záznamem dat

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

Problematika náhodných a pseudonáhodných sekvencí v kryptografických eskalačních protokolech a implementacích na čipových kartách

18A - PRINCIPY ČÍSLICOVÝCH MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ Voltmetry, A/D převodníky - principy, vlastnosti, Kmitoměry, čítače, fázoměry, Q- metry

Optimalizace provozních podmínek. Eva Jarošová

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. výstup

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (40) Zveřejněno N

Fotonické sítě jako médium pro distribuci stabilních signálů z optických normálů frekvence a času

Základní ideje kvantové kryptografie aneb Alice a Bob preferují zabezpečenou komunikaci. Radim Filip a Vladyslav Usenko

Automatická detekce anomálií při geofyzikálním průzkumu. Lenka Kosková Třísková NTI TUL Doktorandský seminář,

Návod k obsluze Spínací zesilovač pro vláknovou optiku OBF

Abstrakt. fotodioda a fototranzistor) a s jejich základními charakteristikami.

Cíle. Teoretický úvod. BDIO - Digitální obvody Ústav mikroelektroniky Sekvenční logika - debouncer, čítače, měření doby stisknutí tlačítka Student

Simulace. Simulace dat. Parametry

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Regresní a korelační analýza

protony) se mohou chovat jako vlnění (tedy mohou interferovat) i jako částice (lze

Měření optických vlastností materiálů

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

BDIO - Digitální obvody

5. A/Č převodník s postupnou aproximací

Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Regresní a korelační analýza

2.9 Čítače Úkol měření:

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ TEPLOTY

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

Generování pseudonáhodných. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Regresní a korelační analýza

Rozšiřující desce s dalšími paralelními porty Rozšiřující desce s motorkem Elektrickém zapojení Principu činnosti Způsobu programování

Katedra fyzikální elektroniky. Modul pro Time Correlated Photon Counting

4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte,

Učební osnova předmětu ELEKTRONIKA

Signálové a mezisystémové převodníky

Pokročilá kryptologie

Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

1 Jednoduchý reflexní přijímač pro střední vlny

V-A charakteristika polovodičové diody

Téma 4: Stratifikované a pokročilé simulační metody

Ekonomické aspekty statistické regulace pro vysoce způsobilé procesy. Kateřina Brodecká

Polovodičové usměrňovače a zdroje

Vestavné systémy BI-VES Přednáška 5

Kvantová kryptografie

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky diody. Pro obor M/01 Informační technologie

Optoelektronické senzory. Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém

Téma 3: Metoda Monte Carlo

Měření Planckovy konstanty

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

VUT EBEC2017 Projekt. Wiping Turn Indicator Audi TT

Novinky pro výuku vláknové optiky a optoelektroniky

Univerzita Pardubice 8. licenční studium chemometrie

Experimentální konstrukce laserového osciloskopu

Soupravy pro měření útlumu optického vlákna přímou metodou

Měření vlastností datového kanálu

AGP - Accelerated Graphics Port

Počítačový model plazmatu. Vojtěch Hrubý listopad 2007

Transkript:

3 Optoelektronický generátor náhodných čísel Fyzikální generátor náhodných čísel může být založen na nejrůznějších fyzikálních procesech Jde přitom o to, aby proces samotný byl náhodný ve smyslu nepředpověditelnosti výsledku jeho individuální realizace a vzájemné nekorelovanosti takovýchto individuálních realizací Tato náhodnost může být praktická, kdy systém je sice po teoretické stránce považován za deterministický, ale je popsán mnoha (často neúplně známými) parametry a obvykle není přesně znám jeho počáteční stav (nebo je technicky obtížné připravit systém opakovaně ve stejném počátečním stavu, příkladem takového generátoru náhodných čísel je třeba ruleta), Na tomto principu fungují generátory založené na sledování šumu (např elektrický šum na Zenerově diodě) fundamentální, kdy náhodnost je zahrnuta přímo ve fyzikální podstatě jevu a jev je jako náhodný popsán i fyzikálními zákony V oblasti kvantové fyziky existuje celá řada jevů, které jsou náhodné ze své samotné podstaty Zákony kvantové mechaniky popisují chování souborů kvantových objektů, nejsou ale, vyjma speciálních případů, schopny předpovědět s určitostí chování individuálního kvantového objektu; předpovídají pouze pravděpodobnosti, s jakými nastane ten či onen konkrétní jev Důvodem přitom není, jak dnes dotvrzuje velké množství experimentálních dat, momentální neznalost jakýchsi skrytých proměnných - jde o skutečně fundamentální vlastnost mikrosvěta, kterou nelze nijak obejít! To poskytuje velmi dobrý prostor pro konstrukci generátoru náhodných čísel splňujícího nejpřísnější kritéria vyžadovaná např kryptologickými aplikacemi Vybereme-li nějaký elementární kvantový proces, který jsme schopni dobře teoreticky analyzovat, tj určit pravděpodobnosti všech jeho možných výsledků, a jsme-li schopni takový proces opakovaně za dobře definovaných podmínek experimentálně realizovat, můžeme jej použít jako základ pro generaci náhodných čísel 31 Zvolený fyzikální proces dělení světla na děliči svazku Jedním z elementárních kvantových procesů je dopad světelného kvanta-fotonu na tzv dělič svazku Jedná se o zařízení, které se v klasické optice používá k rozdělení jednoho svazku světla na dva Může jít např o tzv polopropustné zrcadlo, existuje však i celá řada jiných konkrétních realizací tohoto prvku V našem případě jsme zvolili vláknovou implementaci v podobě vláknového děliče Zajímavé pro nás je, že snižujeme-li intenzitu světla, začne se projevovat jeho kvantový charakter Světelná energie se totiž šíří v malých nedělitelných dávkách-fotonech Dopadne-li jediný foton na dělič svazku, nemůže se rozpůlit; může prostě jen zvolit jednu ze dvou možných cest To kterou se vydá, je náhodný jev v nejryzejším smyslu Popis generátoru Generátor má tři části Optická část Řídící elektronika Napěťový zdroj Rozměry: 33 33 14 cm 3 Vstupní napětí: 230 V AC Přípojka na PC: paralelní port 1

32 Optická část >> >> Obrázek 1: Schéma optické části Celá optická část je složená z vláknových komponent Zdroj: Pigtailovaná (navázaná přímo do vlákna) laserová dioda Optické pulzy jsou zeslabeny pomocí dvou atenuátorů (hrubý, jemný) Pravděpodobnost detekce jednotlivého optického pulzu na každém detektoru je nastavena na 40% 33 Řídící elektronika Obrázek 2: Schéma elektrického zapojení Obrázek 3 odpovídá dvěma cyklům délky 200 ns Detektor zaznamenal foton v prvním cyklu, v druhém ne Do desky ADSP byla tedy odeslána sekvence bitů 10 Časový bod 0: klopné obvody D jsou vynulovány, generuje se laserový pulz Časový bod 3: TTL pulz z detektoru (pokud zaznamenal foton) dorazí k D Časový bod 7: stavy obou detektorů jsou načteny do paměti desky ADSP přes sériové porty 2

Obrázek 3: Časování jednotlivých elektrických signálů 34 Falešné detekční události Detekce fotonů, které nejsou z laserové diody: Jsou potlačeny díky vláknovým komponentám a uzavřením zařízení v boxu Temné pulzy: Jsou způsobené termálními excitacemi nosičů v detektoru Jsou minimalizovány termoelektrickým chlazením lavinové fotodiody na 25 C Mrtvá doba: Po detekci fotonu se spustí lavinový průraz Průrazné napětí je odpojeno z p-n přechodu a lavina se zastaví Během doby, kdy je průrazné napětí odpojeno detektor nemůže detekovat další fotony (nespustí se lavina) After-pulzy: Pokud se některý nosič z laviny zachytí na nějakém centru Může se po opětném připojení průrazného napětí uvolnit a spustit falešnou lavinu Zanedbatelné díky nastavení dlouhé mrtvé doby 150 ns Celkový počet falešných detekcí je 150 za sekundu Poměr falešných pulzů vůči chtěným detekcím fotonů z laserové diody je 1 10 4 Tabulka 1: Detekční pravděpodobnosti optických pulzů diody na oboou detektorech Detektor 0 Detektor 1 po 0 po 1 nepodmíněná po 0 po 1 nepodmíněná hned po startu 4950% 4304% 4650% 4686% 4677% 4682% 15 min temperování 4264% 4181% 4227% 4809% 4805% 4806% Detekční pravděpodobnost detektoru 0 je závislá na výsledku v předešlém cyklu Pokud došlo k detekci, je v dalším cyklu detekční účinnost nižší o 65% Naštěstí se tento jev po ustálení teplotní rovnováhy v generátoru (15-20 minutes) Proto je třeba generátor před započetím generování dobrých náhodných dat temperovat, tj generovaná data se testují a teprve po té, co splňují kritérium na kvalitu, se přejde k záznamu dat 3

35 Provoz generátoru náhodných čísel Generátor se z řídícího PC může přepínat mezi 4 mody Mod 0: stavy klopných obvodů D jsou v každém cyklu zaznamenány a odeslány do PC v bloku (13 kbyte) pro ověření bezchybné funkce Mod 1: Do PC se přenáší pouze součty bitů 1 s v 13 kbytových blocích (pro každý detektor) slouží k nastavení detekční pravděpodobnosti na obou detektorech Mod 2: Do PC se přenáší 8 kbytové bloky hrubých dat Tabulka 2: Generace hrubých dat ze stavu detektorů v jednom cyklu Stavy detektorů D 1 a D 0 00 01 10 11 Vygenerovaný hrubý Bit 0 1 Vyváženost 0 a 1 kolísá v čase (Obr 4) Mod 3: Do PC se posílají 2 kbytové bloky vyvážených dat + k vyvážení se používá nejjednodušší procedura navržená von Neumannem + vyvážení 0 a 1 je vynikající 50:50 (Obr 5) efektivita je pouze 25% Tabulka 3: Generace vyvážených dat z hrubých dat pár Bitů hrubých dat 00 01 10 11 vygenerovaný vyvážený Bit 0 1 Tabulka 4: Časy a rychlost generace v jednotlivých modech Mod záznam zpracování přenos blok čas rychlost # ms ms ms kbyte ms kbyte/s 0 21 1 69 26 70 373 1 21 24 1-45 - 2 25 45 21 8 70 114 3 25 47 5 2 72 28 4

Obrázek 4: Rovnováha 0 s a 1 s v souboru hrubých dat Obrázek 5: Rovnováha 0 s a 1 s v souboru vyvážených dat 5

36 Testy dat Testy náhodných dat ověřují některé statistické vlastnosti dat Výsledné hodnoty se porovnají s teoretickou hodnotou očekávanou pro ideální náhodná data Pokud je výsledek konzistentní s teoretickou předpovědí, pak se říká, že generátor testem prošel Tz tento test nenašel rozdíl mezi skutečně náhodnými daty a testovanými daty Čím více různými testy data projdou, tím je možné datům více věřit 361 Diehard 15 statistických testů navržených G Marsagliem, WWW: http://statfsuedu/ geo/diehardhtml Tabulka 5: Soupis výsledků 15 testů Diehard prošel, neprošel Test # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 hrubá data vyvážená Vyvážená data generovaná v modu 3 projdou všemy 15 testy 362 Autokorelace mezi bity ve vzdálenosti m Γ(m) = 1 N N x i x i+m i=1 m = 1,, 10, pro N = 2 23 Výsledné Γ leží v intervalu od 049953 do 050009, tj neexistuje žádná korelace mezi sousedními bity vygenerované vyvážené posloupnosti 363 Monte Carlo odhad π Vygenerovali jsme osm souborů vyvážených dat o velikosti 10 MByte, spočítáme π z každého souboru a z nich potom průměr a standardní odchylku: π = (31430 ± 00012) Tento test namapuje 8Bytu na souřadnice bodu ve čtverci Z toho, že výsledek je dobrý lze říci, že vygenerované body jsou v ploše rovnoměrně rozmístěny 37 Závěr Předvedli jsme funkční prototyp generátoru náhodných čísel Je založen na fundamentální náhodnosti dané kvantovou mechanikou Zařízení se skládá z běžně dostupných komponent Lze ho připojit k libovolnému PC s paralelním portem Stabilní generaci garantuje vláknové provedení a umístění v ochranném boxu Vygenerovaná vyvážená data splňují všechna studovaná kritéria náhodnosti Rychlost generace vyvážených dat je 28 kbyte/s 6