物理乱数とは一般に予測が困難な計算機の物理的な情報をモニタリングし、その情報からバイアスや相関を取り去ることで生成する乱数である。例えばCPUや通信機器のノイズ情報が用いられる。こうして得られた乱数はエントロピープールと呼ばれる箇所に蓄積され、物理乱数をプログラムが使用するたびに消費される。 物理乱数の利点は予測が困難なことである。物理乱数の欠点は、生成がデバイスのノイズに依存するため概して生成が遅いことと、予測は困難であっても理論上不可能ではないことである。例えばCPUの熱ノイズを遠くにいる攻撃者が正確に予測することは現実的には困難だが、攻撃者が計算機の近くにいる場合、計算機の本体から漏れ出る情報をモニタリングすることで、計算機の使用者が想定した以上の情報が外に漏れ出てしまうという可能性はある。また、さらに理論上の話をすれば、古典力学的に扱える物理系は初期状態とダイナミクスが定まれば理論上は完全に予測可能である。. もう一つの乱数は疑似乱数である。疑似乱数とは、ある秘密の「状態」を指定し、これを決定論的に遷移させることで、遷移に際して現在の「状態」を知らない人にとって乱数と区別がつかないと期待される数列を得ることである。例として、線形合同法、xorshift、メルセンヌツイスタのようなアルゴリズムが代表的である。 疑似乱数の特徴は物理乱数と相補的であり、利点は高速であること、欠点は現在の「状態」が外部に漏れると以降の数列がすべて予測されてしまうことである。このため、暗号鍵生成のような安全性が重視される場面では物理乱数が、物理シミュレーションのような高速性が重視される場面では初期状態として物理乱数を用いて以降は疑似乱数を用いることが多い。.
量子乱数生成の研究の目的は、上記のような理想的な状況をより現実に近い制約の下で実現することである。 量子乱数生成に関する研究の方向性は多岐にわたるが、このコラムでは代表的な二つの応用に向けた方向性について簡単に説明する。. 発振したレーザーから放出される微弱な光を高精度な光強度検出器で観測すると、ショットノイズと呼ばれるノイズが不可避に乗ることが知られている。 これは、発振したレーザーから放出されるパルスは光子数分布がポアソン分布と整合するコヒーレント状態と呼ばれる純粋状態となるために、その光子数の期待値は一定であっても、光子数の射影測定によって得られる光子の数がばらついてしまうことによる。このばらつきのことをショットノイズと呼ぶ。光の強度に対するショットノイズの大きさは光の強度が小さくなればなるほど大きくなる。. 通常、こうしたばらつきは精密な撮像などでSN比向上のために排除するべきノイズとなる。一方、量子乱数の文脈では純粋状態に対する射影測定の結果生じる確率的な挙動であるから量子乱数として用いることができる。もちろん、検出される光子数は0,1で等確率ではないし2光子が検出されることもあるため、適切な補正が必要となる。 また、当然ながら測定器やレーザーの電流値揺らぎによるノイズは量子乱数とはみなせず、現実的なレーザー光の光子数には時間的な相関も存在する。このため、実際にこのシステムで量子乱数を構成するにはショットノイズ以外の古典的ノイズの要因が無視できる程度にシステムが安定している必要がある。. 乱数発生器 従って、適切なレートでアルファ粒子を放出する原子集団を準備し、検知器の検知タイミングに適切な補正を施すことで量子乱数源とすることができる。 なお原子核のこうしたふるまいのエネルギースケールは室温ノイズのエネルギースケールよりはるかに大きいため、上記の観測は室温でも行える。.
乱数発生器 量子乱数生成器のベンダが社会的信頼をまだ勝ち得ていない場合、デバイスの信頼性の欠如は物理乱数を利用すること以上のリスクとなるため、販売における大きな障害となる。. 保証あり量子乱数生成 Certified スマートライブカジノ Random Number Generation の研究とは、何らかの現実的な仮定をおくことで信頼できないベンダによる量子乱数生成装置から信頼できる量子乱数を生成する手法を模索する分野である。この中で最も有名なものは、量子操作を行える離れた二つの信頼できないサーバ、信頼できる古典計算機、シードとなる少量の乱数を用いて、信頼できる量子乱数を生成する手法である [S. Pironio, et al. Quantum Native Dojo. 目次 第0章 そもそも量子コンピュータとは？ 第1章 量子情報の基礎 第2章 量子アルゴリズム入門 NISQアルゴリズムとlong-termアルゴリズム 乱数発生器 アダマールテスト コラム：量子乱数生成 安価な実験で量子乱数を実現する 光のショットノイズ 原子核のアルファ崩壊 信頼できない量子デバイスで量子乱数を生成する 量子フーリエ変換 位相推定アルゴリズム（入門編） 第3章 量子アルゴリズムの実行環境 第4章 量子ダイナミクスシミュレーション 第5章 変分量子回路に基づくアルゴリズム 第6章 量子化学計算 第7章 量子位相推定アルゴリズムの発展 第8章 量子探索アルゴリズム 第9章 量子誤り訂正.
Google Colaboratoryの場合・Qulacsがインストールされていないlocal環境の場合のみ実行してください! pip install qulacs. qulacs 節 というパッケージを使用します from qulacs 乱数発生器 QuantumState 乱数発生器 qulacs. array state. format np.
