Моделирование генератора случайных чисел на основе полупроводниковых наногетероструктур с квантовыми точками с оптической обратной связью

Петренко А.А., Ковалев А.В., Бугров В.Е.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Петренко А.А., Ковалев А.В., Бугров В.Е. Моделирование генератора случайных чисел на основе полупроводниковых наногетероструктур с квантовыми точками с оптической обратной связью // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 9. С. 3–10. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-09-03-10

Petrenko A.A., Kovalev A.V., Bougrov V. E. Random number generator based on semiconductor nanoheterostructures with quantum dots and optical feedback [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 9. P. 3–10. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-03-10

Ссылка на англоязычную версию:

A. A. Petrenko, A. V. Kovalev, and V. E. Bougrov, "Random number generator based on semiconductor nanoheterostructures with quantum dots and optical feedback," Journal of Optical Technology. 89(9), 506-510 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000506

Аннотация:

Предмет исследования. Моделирование процесса генерации последовательностей случайных битов с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками с оптической обратной связью, реализованной в виде зеркала, расположенного на некотором расстоянии от массива. Модель массива связанных лазеров на основе микростолбиков основана на скоростных уравнениях для лазеров на квантовых точках с учетом глобальной оптической обратной связи. Цель работы. Аналитическое моделирование процесса работы генератора случайных чисел с использованием массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками. Метод. Моделирование динамики осуществлено посредством численного интегрирования системы дифференциальных уравнений с использованием полуимплицитного метода Эйлера, реализованного на языке Julia. Для генерации последовательностей случайных битов использован алгоритм, включающий в себя выборку значений интенсивности суммарного поля массива, нормировку и дискретизацию с разрешением 12 бит, перевод дискретизированных значений в битовое представление, выбор 4 младших разрядов, конкатенацию битовых значений в итоговую последовательность. Основные результаты. Смоделирован процесс генерации последовательностей случайных битов со скоростью 400 Гбит/с, отвечающих критериям статистических тестов NIST 800-22 для р-значения 0,01, при частоте выборки интенсивности суммарного поля массива 100 гигавыборок в секунду, длине последовательности 11142860 битов. Проведен бифуркационный анализ модели массива связанных лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками с оптической обратной связью. Показано присутствие следа времени запаздывания обратной связи в хаотическом сигнале интенсивности излучения, которое, однако, не влияет на качество генерации случайных чисел. Практическая значимость. Показано, что воздействие оптической обратной связи приводит к хаотической генерации массива лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками, что может быть использовано для генерации случайных чисел.

Ключевые слова:

генератор случайных чисел, микростолбики с квантовыми точками, лазеры с внешней обратной оптической связью, бифуркационный анализ

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442.

Коды OCIS: 140.5960

Список источников:

1. Hirano K., Yamazaki T., Morikatsu S., Okumura H., Aida H., Uchida A., Yoshimori S., Yoshimura K., Harayama T., Davis P. Fast random bit generation with bandwidth-enhanced chaos in semiconductor lasers // Opt. Exp. 2010. V. 18. № 6. P. 5512–5524. https://doi.org/10.1364/OE.18.005512

2. Li N., Kim B., Choi D., Chizhevsky V.N., Locquet A., Bloch M., Citrin D.S., Pan W. Fast random bit generation with a single chaotic laser subjected to optical feedback // Semiconductor Lasers and Laser Dynamics VI. Belgium, 2 May 2014. P. 9134271–9134276.

3. Kim G., In J.H., Kim Y.S., Rhee H., Park W., Song H., Park J., Kim K.M. Self-clocking fast and variation tolerant true random number generator based on a stochastic mott memristor // Nature Commun. 2021. V. 12. № 1. P. 1–8.

4. Rukhin A., Soto J., Nechvatal J., Smid M., Barker E., Leigh S., Levenson M., Vangel M., Banks D., Heckert A., Dray J. Statistical test suite for random and pseudorandom number generators for cryptographic applications. NIST, 2010.

5. Butler T., Durkan C., Goulding D., Slepneva S., Kelleher B., Hegarty S.P., Huyet G. Optical ultrafast random number generation at 1 Tb/s using a turbulent semiconductor ring cavity laser // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 2. P. 388–391.

6. Sciamanna M., Shore K.A. Physics and applications of laser diode chaos // Nature Photonics. 2015. V. 9. № 3. P. 151–162.

7. Oliver N., Soriano M.C., Sukow D.W., Fischer I. Fast random bit generation using a chaotic laser: Approaching the information theoretic limit // IEEE J. Quantum Electron. 2013. V. 49. № 11. P. 910–918.

8. Zhang L., Pan B., Chen G., Guo L., Lu D., Zhao L., Wang W. 640-Gbit/s fast physical random number generation using a broadband chaotic semiconductor laser // Scientific Reports. 2017. V. 7. № 1. P. 1–8.

9. Nguimdo R.M., Verschaffelt G., Danckaert J., Leijtens X., Bolk J., Van der Sande G. Fast random bits generation based on a single chaotic semiconductor ring laser // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 27. P. 28603–28613.

10. Virte M., Mercier E., Thienpont H., Panajotov K., Sciamanna M. Physical random bit generation from chaotic solitary laser diode // Opt. Еxp. 2014. V. 22. № 14. P. 17271–17280.

11. Rontani D., Locquet A., Sciamanna M., Citrin D.S. Loss of time-delay signature in the chaotic output of a semiconductor laser with optical feedback // Opt. Lett. 2007. V. 32. № 20. P. 2960–2962.

12. Kreinberg S., Porte X., Schicke D., Lingnau B., Schneider C., Höfling S., Kanter I., Lüdge K., Reitzenstein S. Mutual coupling and synchronization of optically coupled quantum-dot micropillar lasers at ultra-low light levels // Nature Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 1–11.

13. Gies C., Reitzenstein S. Quantum dot micropillar lasers // Semiconductor Sci. and Technol. 2019. V. 34. № 7. P. 073001.

14. Petrenko A.A., Kovalev A.V., Bougrov V.E. Random number generation with arrays of coupled micropillar quantum dot lasers // Scientific and Technical J. Information Technologies, Mechanics and Optics. 2021. V. 21. № 6. P. 962–968.

15. Kozyreff G., Vladimirov A.G., Mandel P. Global coupling with time delay in an array of semiconductor lasers // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. № 18. P. 3809–3812.

16. Holzinger S., Schneider C., Höfling S., Porte X., Reitzenstein S. Quantum-dot micropillar lasers subject to coherent time-delayed optical feedback from a short external cavity // Scientific Reports. 2019. V. 9. № 1. P. 1–8.

17. Kho Ang S. NIST Randomness Testsuit [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://github.com/stevenang/randomness_testsuite, свободный. Яз. англ. (дата обращения: 25.05.2022).