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KR101880520B1 - Apparatus for generating random number based on quantum shot noise of multiple light sources - Google Patents

Apparatus for generating random number based on quantum shot noise of multiple light sources Download PDF

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KR101880520B1
KR101880520B1 KR1020150119466A KR20150119466A KR101880520B1 KR 101880520 B1 KR101880520 B1 KR 101880520B1 KR 1020150119466 A KR1020150119466 A KR 1020150119466A KR 20150119466 A KR20150119466 A KR 20150119466A KR 101880520 B1 KR101880520 B1 KR 101880520B1
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light
light sources
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optical signal
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최정운
조석범
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에스케이텔레콤 주식회사
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Abstract

본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 개시한다.
즉, 본 발명의 난수생성장치는, 적어도 두 개의 광원, 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 다수의 수광픽셀을 포함하는 광검출부 및 다수의 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부를 포함하며, 적어도 두 개의 광원은 상기 적어도 두 개의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 상기 다수의 수광픽셀로 입력될 때 상기 다수의 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
The present invention discloses a random number generating apparatus capable of uniformizing the spatial light intensity distribution of an optical signal radiated from a light source and input to each pixel.
That is, the random number generation apparatus of the present invention comprises at least two light sources, a photodetector including a plurality of photodetection pixels for detecting optical signals emitted from at least two light sources, and a photodetector for detecting quantum noise Wherein at least two light sources are respectively input to the respective pixels of the plurality of light receiving pixels when the combined optical signals radiated from the at least two light sources are input to the plurality of light receiving pixels And is arranged symmetrically with respect to the optical detecting portion so that the time-average light intensity values of the optical signal become uniform.

Description

복수의 광원을 활용하는 양자 노이즈 기반 난수생성장치{APPARATUS FOR GENERATING RANDOM NUMBER BASED ON QUANTUM SHOT NOISE OF MULTIPLE LIGHT SOURCES}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a quantum noise-based random number generation apparatus using a plurality of light sources,

본 발명은 복수의 광원을 이용하여 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 제어하는 기능을 가지는 난수생성장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치에 관한 것이다.The present invention relates to a random number generation apparatus having a function of uniformly controlling a spatial light intensity distribution of an optical signal using a plurality of light sources, and more particularly, to a random number generation apparatus having a spatial light intensity The present invention relates to a random number generating apparatus capable of uniformly distributing a spatial intensity distribution.

난수(random number)는 보안, 과학적 계산, 게임, 복권 등의 다양한 분야에 필요로 하고 있으며, 현재 대부분의 경우에는 순수난수(True random number)가 아닌 알고리즘 기반으로 생성되는 의사난수(Pseudo-random number)가 사용되고 있다.Random numbers are needed for various fields such as security, scientific calculation, game, lottery, etc. In most cases, pseudo-random numbers (pseudorandom numbers) are generated based on algorithms rather than pure random numbers ) Are used.

하지만, 의사난수는 특정한 패턴을 가지고 있으므로 장시간 동안 생성되는 비트열을 관찰한다면 생성되는 비트열의 패턴이 도출될 가능성이 높아 난수가 가져야 할 근본적인 특성 중의 하나인 예측불가능성이 크게 훼손된다. 특히, 이러한 의사난수가 암호통신을 비롯한 보안분야에 사용된다면 보안성이 취약해지는 매우 심각한 문제를 초래하게 된다.However, since the pseudo-random number has a specific pattern, if the bit string generated for a long time is observed, the pattern of the generated bit string is likely to be derived, so that unpredictability, which is one of fundamental characteristics of the random number, is greatly damaged. In particular, if such pseudo-random numbers are used in security fields including cryptographic communication, security problems become very serious problems.

전술의 문제점을 해결하기 위해, 의사난수가 아닌 순수난수를 생성하는 순수난수 생성기(True random number generator)에 대한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있으며, 그 중 양자 현상을 이용하여 순수난수를 생성하는 양자 난수 생성기(Quantum random number generator)는 자연현상에 존재하는 완벽한 난수성을 이용하여 랜덤 비트열을 생성하는 기술이다.In order to solve the above problems, various researches and developments have been made on a true random number generator that generates a pure random number, not a pseudo random number. Of these, a quantum random number generator A quantum random number generator is a technique for generating a random bit string using a perfect random number existing in a natural phenomenon.

이러한 양자난수 생성기를 구성하는 하나의 방법으로 광원이 가지고 있는 빛의 입자적 특성에 의해 나타나는 광자 수의 불확정도인 샷 노이즈(Shot noise)를 이용하는 방법을 생각해 볼 수 있다.One method of constructing such a quantum random number generator is to use shot noise, which is the uncertainty of the number of photons, which is represented by the particle characteristics of the light that the light source has.

이처럼 광원이 가진 가장 근원적인 노이즈 중의 하나인 광자 수에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)에 기반하여 난수를 생성하는 난수생성장치를 구현함에 있어, 카메라 모듈에 주로 사용되고 있는 CMOS 센서(sensor) 또는 CCD 센서(sensor) 등과 같은 이미지 센서를 이용하는 기술이 최근 등장하였다(논문: Physical Review X, 4, 031056 (2014) 참고).In implementing a random number generation device that generates random numbers based on shot noise or quantum shot noise of the photon number, which is one of the most fundamental noise of the light source, a CMOS sensor ) Or a CCD sensor (see, for example, Physical Review X, 4, 031056 (2014)).

그러나, 일반적인 경우, 카메라 모듈 내 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 광세기에 대한 시간-평균(time-average)값은 균일하지 못하다. 이로 인해 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해져 난수생성장치의 구현에 어려움이 발생한다.However, in a general case, the time-average value of the light intensity of the optical signal input to each pixel of the image sensor in the camera module is not uniform. This complicates the algorithm of the post-processing step of interpreting the output value of each pixel, which makes it difficult to implement the random number generating device.

좀 더 구체적으로, 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise) 기반의 난수생성기는 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값을 난수로 사용하는데, 이 광세기 값의 변동(fluctuation)이 난수성(randomness)의 근원이 된다. 특히, 각 픽셀에서 특정 시간 동안 누적된 광세기 값은 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖는다. 이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다. 따라서, 이미지 센서의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는 각 픽셀로 입력되는 광세기 시간-평균값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.More specifically, a random noise generator based on shot noise or quantum shot noise uses a light intensity value accumulated for a specific time in each pixel as a random number, randomness. In particular, since the light intensity values accumulated for a specific time in each pixel follow the Poisson distribution, the mean value and the variance value of such light intensity values have a linear proportionality. For this reason, the variance, a measure of fluctuation, is determined by the mean value, and the randomness at each pixel is eventually influenced by the mean value of the light intensity values, do. Therefore, it is important to make the light intensity time-average value input to each pixel uniform so that each pixel of the image sensor has the same randomness.

참고로, 이미지 센서를 이용하여 이미지 센서에 입력되는 광신호의 크기를 측정하는 경우, 각 픽셀은 소정의 시간 동안 픽셀에 입력되는 광자 수의 누적 값에 해당하는 신호를 출력한다. 여기서, 시간-평균(time-average) 광세기값은, 소정의 시간에 대한 광신호의 크기를 측정하는 행위를 서로 다른 시간에 대해 충분히 여러 번 반복하여 얻어진 출력 신호의 평균 값을 의미한다.For reference, when measuring the size of an optical signal input to an image sensor using an image sensor, each pixel outputs a signal corresponding to an accumulated number of photons input to a pixel for a predetermined time. Here, the time-averaged light intensity value means an average value of the output signals obtained by repeating the action of measuring the size of the optical signal for a predetermined time sufficiently many times for different times.

즉, 다수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 이용하는 경우, 각 픽셀들에 입력되는 광세기에 대한 시간 평균 값들의 분포는 광원의 공간적 광세기 분포에 대응되며, 모든 픽셀에 대한 우수한 난수성 확보를 위해서는 각 픽셀들에 입력되는 광세기에 대한 시간 평균 값들이 균일한 것이 바람직하다.That is, when an image sensor including a plurality of pixels is used, the distribution of time-averaged values of light intensity input to each pixel corresponds to the spatial light intensity distribution of the light source, It is preferable that the time average values of the light intensities input to the respective pixels are uniform.

이에 본 발명에서는, 다수의 광원을 이용하여 이미지 센서에 입사되는 공간적 광세기 분포를 균일하게 하기 위한 방안을 제안하고자 한다. 좀 더 구체적으로는, 다수의 광원을 적절하게 대칭으로 배치하여 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광세기의 시간-평균값을 균일하게 하기 위한 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, the present invention proposes a method for uniformizing the spatial light intensity distribution incident on the image sensor using a plurality of light sources. More specifically, a method for uniformizing the time-averaged value of the light intensity input to each pixel of the image sensor by appropriately symmetrically arranging a plurality of light sources is proposed.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 도달하고자 하는 목적은, 다수의 광원을 이용하여 이미지 센서의 각 픽셀들로 입력되는 광세기의 시간-평균값을 균일하게 할 수 있는 난수생성장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for generating a random number that can uniformize a time-average value of light intensity input to each pixel of an image sensor using a plurality of light sources Generating device.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치는, 적어도 두 개의 광원; 상기 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 다수의 수광픽셀을 포함하는 광검출부; 및 상기 다수의 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 광원은 상기 적어도 두 개의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 상기 다수의 수광픽셀로 입력될 때 상기 다수의 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a random number generator comprising: at least two light sources; A photodetector including a plurality of light receiving pixels for detecting an optical signal emitted from the at least two light sources; And a random number generator for generating a random number using quantum noise of the amount of light detected by the plurality of light receiving pixels, wherein the at least two light sources are respectively emitted from the at least two light sources, The light-receiving unit is symmetrically disposed with respect to the optical detecting unit so that the time-average light intensity values of the optical signals input to the respective pixels of the plurality of light-receiving pixels become uniform.

바람직하게는, 상기 적어도 두 개의 광원은, 상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지는 최소 거리에서 상기 광검출부를 기준으로 대칭이 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the at least two light sources are arranged to be symmetrical with respect to the optical detection unit at a minimum distance at which a time-average light intensity value of the optical signal becomes uniform.

바람직하게는, 상기 적어도 두 개의 광원이 상기 광검출부와 동일한 기판상에 위치하는 경우, 상기 적어도 두 개의 광원은 상기 광검출부로부터 동일한 거리에 배치되는 것을 특징으로 한다.Preferably, when the at least two light sources are located on the same substrate as the light detecting unit, the at least two light sources are arranged at the same distance from the light detecting unit.

바람직하게는, 상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 적어도 두 개의 광원의 배치 위치를 조정하는 것과 함께 상기 적어도 두 개의 광원 중 적어도 하나의 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.Preferably, adjusting the placement of the at least two light sources such that a time-average light intensity value of the optical signal is uniform, and controlling the amount of current of at least one of the at least two light sources .

바람직하게는, 상기 적어도 두 개의 광원에 의해 각각 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 각각 상기 광원이 가질 수 있는 적어도 하나의 분포 특성을 따르며, 상기 적어도 두 개의 광원 중 서로 대칭관계에 있는 광원 사이의 간격은 상기 적어도 하나의 분포 특성을 기초로 결정되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the time-averaged light intensity values of the optical signals respectively emitted by the at least two light sources each follow at least one distribution characteristic that the light source can have, And the spacing between the light sources symmetrical to each other is determined based on the at least one distribution characteristic.

바람직하게는, 상기 분포 특성이 가우시안 분포인 경우, 상기 서로 대칭관계에 있는 광원 사이의 간격은 상기 가우시안 분포의 표준편차의 2배인 것을 특징으로 한다.Preferably, when the distribution characteristics are Gaussian distributions, the spacing between the light sources symmetrical to each other is two times the standard deviation of the Gaussian distribution.

바람직하게는, 상기 적어도 두 개의 광원에서 방사되는 광신호를 반사하는 커버면을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the light source further comprises a cover surface reflecting the optical signal emitted from the at least two light sources.

이에, 본 발명에 따른 복수의 광원을 이용하여 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 제어하는 기능을 가지는 난수생성장치에 의하면, 이미지 센서의 각 픽셀들로 각각 입력되는 광세기의 시간-평균값을 균일하게 할 수 있는 효과를 도출한다.According to the random number generation apparatus having the function of uniformly controlling the spatial light intensity distribution of an optical signal using a plurality of light sources according to the present invention, the time-averaged value of the light intensity input to each pixel of the image sensor is Thereby obtaining an effect that can be uniform.

도 1은 난수생성장치의 기본 구성원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 3은 난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 생각해 볼 수 있는 다른 구현방안을 나타내는 도면이다.
도 4는 난수생성장치에서 광량을 검출하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 다수의 광원의 구현 방식을 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 일례 및 이미지 센서의 각 수광픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 일례 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치에서 각 수광픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균 광세기값을 이용하여 난수를 생성하는 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 난수생성장치의 배치 구조의 다른예 및 이미지 센서의 각 수광픽셀로 균일하게 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기 분포의 다른예를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram for explaining the basic construction principle of a random number generation apparatus.
2 is a diagram showing an implementation scheme that can be basically considered when a random number generator is manufactured in a chip form.
FIG. 3 is a diagram showing another implementation method that can be considered when a random number generation apparatus is manufactured in a chip form.
4 is a diagram showing an example of detecting the amount of light in the random-number generating device.
5 is a circuit diagram showing an implementation method of a plurality of light sources.
6 is a configuration diagram showing a configuration of a random number generator according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing an example of a layout structure of a random number generator according to an embodiment of the present invention and an example of a time-averaged light intensity distribution of an optical signal uniformly input to each light receiving pixel of an image sensor.
FIG. 8 is a flowchart illustrating the generation of random numbers using a time-averaged light intensity value of an optical signal uniformly input to each light receiving pixel in the random number generator according to the embodiment of the present invention.
9 and 10 are views showing another example of the arrangement structure of the random number generation device according to the embodiment of the present invention and the other example of the time-average light intensity distribution of the optical signal uniformly inputted to each light receiving pixel of the image sensor Fig.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 할 수 있는 난수생성장치(이하, 양자난수생성장치)와 관련된다.The present invention relates to a random number generator (hereinafter, a quantum random number generator) capable of uniformizing the spatial intensity distribution of an optical signal radiated from a light source and input to each pixel.

양자난수생성장치는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 소정 시간 동안의 광세기값, 즉 광량을 균일하게 검출하며, 검출한 광량에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 기반으로 순수난수(True random number)(이하, 난수)를 생성한다.The quantum random number generation apparatus uniformly detects the light intensity value, i.e., the light intensity value for a predetermined time of the optical signal radiated from the light source and input to each pixel, and measures shot noise or quantum shot noise with respect to the detected light amount And generates a true random number (hereinafter, a random number).

이러한 양자난수생성장치는, 양자난수생성기(Quantum Random Number Generator, QRNG)일 수 있으며, 장비, 모듈 및 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.The quantum random number generation apparatus may be a Quantum Random Number Generator (QRNG), and may be implemented in the form of an apparatus, a module, and a chip.

본 발명은, 양자난수생성장치의 성능 향상을 위한 하드웨어적인 구성과 관련되며, 특히 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 입력될 수 있도록 광원과 광신호를 검출하는 구성(예: 이미지 센서)간의 배치를 최적화할 수 있는 양자난수생성장치에 관련된다.The present invention relates to a hardware configuration for improving the performance of a quantum random number generator, and more particularly, to a hardware configuration for improving the performance of a quantum random number generator, And to a quantum random number generator capable of optimizing the placement between a light source and a configuration (e.g., an image sensor) that detects an optical signal so that it can be input.

다시 말해, 본 발명은 양자난수생성장치를 제작할 때 칩(chip) 형태로 소형화 및 대량 생산하기 위한 하드웨어적인 구성에 관한 것으로, 특히 칩 내 광원의 배치 방안에 관한 것이다.In other words, the present invention relates to a hardware configuration for miniaturization and mass production in the form of a chip when a quantum random number generation apparatus is manufactured, and more particularly, to a method for arranging a light source in a chip.

본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 난수생성장치를 제작함에 있어 가장 용이하게 생각해 볼 수 있는 기본 방안에 대해 간단히 설명하도록 하겠다.Before describing the present invention in detail, a basic scheme that can be most easily considered in manufacturing a random number generation apparatus will be briefly described with reference to FIG. 1 to FIG.

먼저, 도 1을 참고하여 난수생성장치의 기본 구성원리에 대하여 설명하도록 하겠다.First, the basic construction principle of the random number generation apparatus will be described with reference to FIG.

도 1에 도시한 바와 같이, 난수생성장치는, 광원(10)으로부터 방사되는 광신호를 검출부(20)를 통해 검출하며, 검출되는 광량의 광자 수에 대한 샷노이즈(shot noise 또는 quantum shot noise)를 이용하여 난수(30)를 생성하게 된다. 도 1과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)에서 확인할 수 있다.1, the random number generation apparatus detects an optical signal emitted from a light source 10 through a detection unit 20 and detects shot noise or quantum shot noise with respect to the number of photons of the detected light amount, The random number 30 is generated. Similar techniques related to FIG. 1 can be found in Physical Review X, 4, 031056 (2014).

광원(10)은, 광자를 방사하며, 예컨대 다수의 광자로 이루어진 광신호를 연속적으로 방사할 수 있다.The light source 10 emits a photon, and can successively emit an optical signal composed of a plurality of photons, for example.

이러한 광원(10)은, 레이저(laser) 등과 같은 간섭광(coherent light) 또는 LED(light emitting diode) 등과 같은 혼돈광(chaotic light)일 수 있다. 만일, 광원(10)으로 LED가 사용되는 경우, 양자 노이즈 특성이 유지될 수 있도록 설정된 임계범위 내에서 적정 전류를 인가하는 것이 바람직하다.The light source 10 may be a coherent light such as a laser or a chaotic light such as a light emitting diode (LED). If an LED is used as the light source 10, it is desirable to apply an appropriate current within a set critical range so that the quantum noise characteristic can be maintained.

검출부(20)는, 이미지 센서(21)가 장착된 카메라 모듈일 수 있으며, 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수(30)를 생성한다. The detection unit 20 may be a camera module equipped with an image sensor 21 and generates a random number 30 using quantum noise of a detected amount of light.

이때, 이미지 센서(21)는, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 및 CCD(charge coupled device) 센서 등을 포함하며, 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출할 수 있다면 다른 유사 센서들로도 구성될 수 있다.At this time, the image sensor 21 includes a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) sensor and a charge coupled device (CCD) sensor, and may be configured as other similar sensors as long as it can detect an optical signal emitted from a light source .

이러한, 검출부(20)는, 이미지 센서(21)에서 특정 시간 단위로 누적된 전류/전압을 증폭기(22)를 통해 증폭한 다음 ADC(analog-digital converter)(23)를 통해 디지털 출력, 즉 난수(30)를 생성한다.The detection unit 20 amplifies the current / voltage accumulated in the image sensor 21 by a predetermined time unit through the amplifier 22 and then outputs the digital output through the analog-digital converter (ADC) (30).

이처럼 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수(30)를 생성하는 경우, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 특정 시간 동안 누적된 광세기 값이 포아송 분포(Poisson distribution)을 따르기 때문에, 이러한 광세기 값의 평균(mean)값과 분산(variance)값이 선형 비례 관계를 갖게 된다. 이러한 이유로, 변동(fluctuation)에 대한 측정자(measure)인 분산(variance)은 평균(mean)값에 의해 정해지고, 각 픽셀에서의 난수성은 결국, 광세기 값의 평균(mean)값에 의해 좌우된다. 따라서, 이미지 센서(21)의 각 픽셀이 동일한 난수성을 갖도록 하기 위해서는 각 픽셀로 입력되는 광세기 시간-평균값을 균일하게 만드는 것이 중요하다.When the random number 30 is generated according to the basic construction principle of the random number generation device, since the light intensity values accumulated for a specific time in each pixel of the image sensor 21 follow the Poisson distribution, The mean value of the values and the variance value are linearly proportional. For this reason, the variance, a measure of fluctuation, is determined by the mean value, and the randomness at each pixel is eventually influenced by the mean value of the light intensity values, do. Therefore, in order to make each pixel of the image sensor 21 have the same randomness, it is important to make the light intensity time-average value input to each pixel uniform.

즉, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들의 출력값은 각 픽셀들로 입력되는 광세기에 대응되므로, 출력값이 갖는 통계적 특성이 각 픽셀마다 상이하게 되면, 각 픽셀들의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘이 복잡해질 뿐만 아니라, 특정 픽셀에서는 동일한 난수값이 다른 픽셀에 비해 집중적으로 생성될 수 있어 모든 픽셀이 우수한 난수성(randomness)을 동일하게 유지하기 어렵게 된다.That is, since the output value of each pixel of the image sensor 21 corresponds to the light intensity input to each pixel, if the statistical characteristic of the output value becomes different for each pixel, an algorithm of post-processing step Not only is it complicated, but the same random number value can be generated intensively in certain pixels compared to other pixels, so that it is difficult for all pixels to maintain good randomness.

이처럼, 난수생성장치의 구현 복잡도를 감소시키고, 각 픽셀로부터 우수한 품질의 난수열을 생성하는 데에 있어서, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 하는 것이 매우 중요하며 이는 난수생성장치의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.In order to reduce the implementation complexity of the random number generation device and generate a random number sequence of high quality from each pixel, a time-average light intensity value of the optical signal radiated from the light source and input to each pixel It is very important to uniformly affect the overall performance of the random number generator.

그러나, 이처럼 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 입력되는 것이 매우 중요함에도 불구하고 점차 소형화되어 가는 난수생성장치의 하드웨어적인 구현 크기의 제약으로 인해 주로 기판(PCB) 구성을 단순화하기 위한 방안이 주로 제안되고 있다.However, even though it is very important that the time-average light intensity values of the optical signals input to the respective pixels of the image sensor are uniformly input, the constraint of the hardware implementation size of the randomly- (PCBs) are mainly proposed for simplifying the structure of the PCBs.

이하에서는, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 고려해 볼 수 있는 방안들에 대해 설명하도록 하겠다.Hereinafter, methods to be considered when a random number generating device is manufactured in a chip form according to the basic construction principle of the random number generating device will be described.

난수생성장치를 칩 형태로 제작할 때 기본적으로 생각해 볼 수 있는 첫 번째 구현방안으로, 도 2와 광원(10)과 이미지 센서(21)가 서로 마주보도록 구현하는 것을 고려해볼 수 있다.As a first implementation method that can be basically considered when a random number generation device is manufactured in the form of a chip, it can be considered that the light source 10 and the image sensor 21 are opposed to each other.

첫 번째 구현방안에 의해 난수생성장치를 생성하기 위해서는, 광원(10)으로부터 방사된 광신호가 최대한 넓게 분산되도록 구성해야 하며, 이미지 센서(21) 내 최대한 많은 픽셀들이 유사한 개수의 광량을 검출할 수 있도록 하기 위해, 광원(10)과 이미지 센서(21)의 간격을 제한하거나 또는 이미지 센서(21)의 크기를 제한한다.In order to generate the random number generating device according to the first implementation method, the optical signal radiated from the light source 10 should be dispersed as widely as possible, so that a maximum number of pixels in the image sensor 21 can detect a similar number of light amounts. The distance between the light source 10 and the image sensor 21 is limited or the size of the image sensor 21 is limited.

또한, 광원(10)을 배치하기 위한 상부기판(Top PCB)(40)과, 이미지 센서(21)를 배치하기 위한 하부기판(Bottom PCB)(50)을 각각 구분하여 사용해야 하므로 제조 공정이 복잡해지며, 그로 인해 비용 절감 및 소형화를 기대하기 힘든 문제점이 발생하게 된다. In addition, since an upper substrate 40 for disposing the light source 10 and a lower PCB 50 for disposing the image sensor 21 are separately used, the manufacturing process is complicated So that it is difficult to expect cost reduction and downsizing.

즉, 첫 번째 구현방안에 의해서는 난수생성장치의 기판 구성을 단순화하여 구현하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.That is, it can be seen that it is difficult to simplify the circuit configuration of the random number generator according to the first implementation scheme.

한편, 전술한 난수생성장치의 기본 구성원리에 따라 난수생성장치를 칩 형태로 제작하기 위해 생각해 볼 수 있는 두 번째 구현방안으로, 도 3과 같이 하나의 기판상(60)에 광원(10)과 이미지 센서(21)를 배치하되 별도의 광도파로(light wave guide)(70)를 추가하는 구성을 고려해 볼 수도 있다. 도 3과 관련된 유사 기술은 Physical Review X, 4, 031056 (2014)의 저자에 의해 QCrypt 2014 학회에서 소개된 바 있다.Meanwhile, as a second implementation method that can be conceived for producing a random number generation device in a chip form according to the basic construction principle of the above-described random number generation device, a light source 10 is provided on one substrate 60 as shown in FIG. It is possible to consider a configuration in which the image sensor 21 is disposed, but a separate light wave guide 70 is added. A similar technique related to FIG. 3 has been introduced at the QCrypt 2014 conference by the author of Physical Review X, 4, 031056 (2014).

그러나, 두 번째 구현방안과 같이 광도파로(70)를 별도로 추가하는 배치 방안은 제조 공정상의 복잡성 및 그로 인한 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 광원(10)으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 없는 한계점은 여전히 가질 것으로 예상된다.However, the layout scheme of separately adding the optical waveguide 70 as in the second implementation scheme not only increases the complexity and cost due to the manufacturing process, but also increases the cost of the optical waveguide 70, which is emitted from the light source 10, It is expected that there will still be a limit in which the time-averaged light intensity value of the signal can not be made uniform.

이에, 본 발명에서는, 양자난수생성장치를 칩(chip) 형태로 소형화 및 대량 생산할 수 있으면서도 광원으로부터 방사되어 이미지 센서의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 있는 하드웨어적인 구성, 특히 칩 내 광원의 배치 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, in the present invention, it is possible to miniaturize and mass-produce the quantum random number generating device in the form of a chip, and to obtain a time-average light intensity value of an optical signal radiated from a light source and input to each pixel of the image sensor We propose a uniform hardware structure, especially a placement of light sources in a chip.

이하에서는, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치에서 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 하는 기본원리에 대해 먼저 구체적으로 설명하겠다. 이때, 설명의 편의를 위해 광원은 LED인 것으로 가정한다.4 to 6, in the quantum random number generating apparatus according to the embodiment of the present invention, a time-average light intensity value of an optical signal radiated from a light source and input to each pixel is made uniform I will first explain the basic principles in detail. At this time, it is assumed that the light source is an LED for convenience of explanation.

도 4에서는 하나의 광원(10)을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하였다. In FIG. 4, a quantum random number generation apparatus is implemented using one light source 10.

이처럼 양자난수생성장치가 하나의 광원(10)에 의해 구현되는 경우, 광원(10)으로부터 광신호가 방사되면, 이미지 센서(21)의 각 픽셀에 입력되는 시간-평균(time-average) 광세기값은 광원에서 방사되는 광신호의 공간적 광세기 분포에 의해 결정된다. 이때 공간적으로 다른 위치에 배치되어 있는 각 픽셀들에 입력되는 시간-평균 광세기값들의 공간적인 분포는 광소자 공정 방식에 따라 천차만별인데, 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 합, cosine power의 합 등으로 표현되기도 한다. 이와 관련된 기술은 February 2008/Vol.16, No.3/OPTICS EXPRESS 1808에서 확인할 수 있다. 그렇지만, 많은 경우, 하나의 피크(peak)를 갖는 가우시안 분포를 따르기 때문에 본 발명은 가우시안 분포를 예를 들어 기술한다.When the quantum random number generation device is implemented by a single light source 10, when a light signal is emitted from the light source 10, a time-average light intensity value input to each pixel of the image sensor 21 Is determined by the spatial light intensity distribution of the optical signal emitted from the light source. At this time, the spatial distribution of the time-averaged light intensity values input to the respective pixels arranged at different positions spatially varies depending on the optical device processing method. The sum of the Gaussian distributions and the sum of the cosine powers It is also expressed. Techniques related to this can be found in February 2008 / Vol.16, No.3 / OPTICS EXPRESS 1808. However, in many cases, the present invention describes a Gaussian distribution as it follows a Gaussian distribution with one peak.

가우시안 분포의 중심축(80)에 대응하여 위치하는 이미지 센서(21) 내적어도 하나의 픽셀(pi1)은, 중심축(80)에서의 가우시안 분포에 따라 평균적으로 최대의 광량, 즉 광세기에 대한 시간-평균(time-average) 값 중 가장 큰 값을 입력 받게 된다. 그러나, 픽셀(pi1)을 제외한 나머지 픽셀(pi2)은 중심축(80)을 중심으로 대칭적으로 감소하는 가우시안 분포에 대응되는 점차 감소하는 광량을 입력 받게 된다. At least one pixel pi1 in the image sensor 21 positioned corresponding to the central axis 80 of the Gaussian distribution has a maximum intensity of light on average on the basis of the Gaussian distribution at the central axis 80, The largest value among the time-average values is input. However, the remaining pixels pi2 except for the pixel pi1 receive a gradually decreasing amount of light corresponding to a Gaussian distribution symmetrically decreasing about the central axis 80. [

이에, 이미지 센서(21)의 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 서로 상이하게 되어 평균적으로 서로 상이한 광량을 검출하게 되는 것이다.Accordingly, the time-average light intensity values of the optical signals input to the respective pixels of the image sensor 21 are different from each other, so that light amounts different from each other are detected on average.

이처럼, 하나의 광원(10)에 의해 양자난수생성장치가 구현되면, 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값에 따라 이미지 센서(21)의 각 픽셀들(pi1, pi2)로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 없게 되는 문제가 있다When the quantum random number generation device is implemented by one light source 10 as described above, each pixel of the image sensor 21 according to the time-averaged light intensity value of the optical signal following the Gaussian distribution There is a problem that the time-averaged light intensity values of the optical signals input to the optical paths pi1 and pi2 can not be made uniform

이에, 본 발명에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 적어도 두 개의 광원을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하는 방안을 제시한다.Accordingly, the present invention proposes a method of implementing a quantum random number generation device using at least two light sources so that the time-average light intensity values of the optical signals radiated from the light source and input to the respective pixels become uniform do.

이하에서는, 도 5 내지 도 9를 참조하여, 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치의 구성을 구체적으로 설명하겠다. 5 to 9, a configuration of a quantum random number generating apparatus according to an embodiment of the present invention for uniformizing a time-average light intensity value of an optical signal input to each pixel I will explain in detail.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 광원으로 사용되는 LED가 전광효과를 제공하는 p-n 접합 다이오드이므로, 여러 개의 광원을 직렬로 연결하여 용이하게 확장 구현할 수 있는 LED 특성을 이용하여 별도의 복잡한 회로 구성을 추가하지 않고도 다수의 광원(101-10n)을 단순하게 직렬로 연결하는 것에 의해 각 픽셀들로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 있는 양자난수생성장치를 구현한다.As shown in FIG. 5, the LED used as a light source is a pn junction diode that provides a light effect. Therefore, it is possible to use an LED characteristic capable of easily expanding and connecting a plurality of light sources in series, It is possible to uniformize the time-average light intensity value of the optical signal input to each of the pixels by simply connecting the plurality of light sources 10 1 - 10 n in series without adding a circuit configuration And generates a quantum random number generator.

따라서, 본 발명은, 기존 하나의 광원을 이용하여 양자난수생성장치를 구현하기 위해 별도로 광도파로(light wave guide)를 추가하는 것보다 하드웨어적인 구조를 보다 단순화시킬 수 있어 보다 용이하게 칩(chip) 형태로 소형화할 수 있게 된다. Therefore, the present invention can simplify a hardware structure more easily than adding a light wave guide separately to implement a quantum random number generation apparatus using an existing light source, So that it can be downsized.

전술의 LED 특성에 따라 구현된 본 발명의 실시예에 따른 양자난수생성장치(100)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 광원관리부(110) 및 난수생성부(120)를 포함한다.The quantum random number generation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention implemented according to the LED characteristics described above includes a light source management unit 110 and a random number generation unit 120 as shown in FIG.

광원관리부(110)는, 적어도 두 개의 광원을 포함하는 광원부(111) 및 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되어 합쳐지는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 검출하기 위한 다수의 수광픽셀을 포함하는 광검출부(112)를 포함하며, 이때 적어도 두 개의 광원은 적어도 두 개의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 다수의 수광픽셀로 입력될 때 다수의 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 배치된다.The light source management unit 110 may include a light source unit 111 including at least two light sources and a time-average light intensity value detector for detecting a time-averaged light intensity value of an optical signal radiated from at least two light sources, Wherein at least two light sources are arranged in each pixel of the plurality of light receiving pixels when the combined optical signals radiated from at least two light sources are input to the plurality of light receiving pixels, And is arranged so that the time-average light intensity value of the input optical signal becomes uniform.

난수생성부(120)는, 다수의 수광픽셀로 입력되는 광세기값, 즉 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성한다.The random number generation unit 120 generates a random number using quantization noise of light intensity values input to a plurality of light receiving pixels, that is, light quantities.

보다 구체적으로, 도 7을 참고하면, 광원부(111)는, 적어도 두 개의 광원을 포함한다. 본 발명에서는, 적어도 두 개의 광원에 의해 방사되는 광신호가 동일한 것으로 가정한다.More specifically, referring to FIG. 7, the light source unit 111 includes at least two light sources. In the present invention, it is assumed that the optical signals emitted by at least two light sources are the same.

즉, 광원부(111)는, 제작하려는 양자난수생성장치의 크기 및 성능에 따라 대칭형으로 배치되는 복수 개(예: 2개, 4개, 6개 또는 그 이상)의 광원을 구비할 수 있다. 이때, 광원의 개수는 제한되지 않는다. That is, the light source unit 111 may include a plurality of light sources (for example, two, four, six, or more) arranged symmetrically according to the size and performance of the quantum random number generating apparatus to be manufactured. At this time, the number of light sources is not limited.

이하에서는, 설명의 편의를 위해, 두 개의 광원(111a, 111b)이 대칭으로 배치된 것으로 언급하여 설명하겠다.Hereinafter, for convenience of explanation, it will be described that the two light sources 111a and 111b are arranged symmetrically.

광검출부(112)는, 전술에서 언급한 CMOS 및 CCD 센서(sensor) 등과 같은 이미지 센서일 수 있다. The light detecting unit 112 may be an image sensor such as the above-mentioned CMOS and CCD sensor.

이러한, 광검출부(112)는, 두 개의 광원(111a, 111b)으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 다수의 수광픽셀(예: 이미지 센서 내 픽셀)(1121)를 포함한다.The light detecting unit 112 includes a plurality of light receiving pixels (e.g., pixels in the image sensor) 1121 for detecting an optical signal emitted from the two light sources 111a and 111b.

이하에서는, 다수의 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 하기 위한 광원관리부(110)의 배치 구조를 도 7을 참고하여 보다 구체적으로 설명하겠다.Hereinafter, the arrangement structure of the light source management unit 110 for uniformizing the time-averaged light intensity values of the optical signals input to the plurality of light receiving pixels will be described in more detail with reference to FIG.

도 7에 도시한 바와 같이, 광원관리부(110)에 구비된 광원부(111)와 광검출부(112)는 동일한 기판(113) 상에 배치된다.7, the light source unit 111 and the light detection unit 112 provided in the light source management unit 110 are disposed on the same substrate 113. In this case,

이처럼, 양자난수생성장치의 소형화 및 대량 생산을 위해 하나의 기판(133)상에 광원부(111)와 광검출부(112)를 배치하여 칩(chip) 형태 제작하게 되면, 칩 케이스의 커버면(114)에 의해 광원부(111)에서 방사되는 광신호가 자연스럽게 반사되게 된다.When the light source unit 111 and the light detecting unit 112 are disposed on a single substrate 133 in the form of a chip for miniaturization and mass production of the quantum random number generating apparatus, The optical signal radiated from the light source unit 111 is naturally reflected.

보다 구체적으로, 두 개의 광원(111a, 111b)은 광검출부(112)를 기준으로 대칭이 되도록 배치된다.More specifically, the two light sources 111a and 111b are arranged symmetrically with respect to the light detecting unit 112. [

즉, 두 개의 광원(111a, 111b)이 광검출부(112)와 동일한 기판(113)상에 위치하는 경우, 두 개의 광원(111a, 111b)은 다수의 수광픽셀(1121)로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 되도록 광검출부(112)로부터 동일한 간격을 유지하며 대칭으로 배치된다.That is, when the two light sources 111a and 111b are positioned on the same substrate 113 as the light detecting unit 112, the two light sources 111a and 111b are arranged in a matrix of the light receiving pixels 1121 And are arranged symmetrically with equal spacing from the optical detector 112 so that the time-average light intensity values become uniform.

본 발명에서는 두 개의 광원(111a, 111b)이 광검출부(112)로부터 동일한 간격인 것으로 언급하였으나, 서로 다른 간격인 경우에도 각 광원(111a, 111b)에 인가되는 전류량을 제어하여 다수의 수광픽셀(1121)로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일하게 되도록 제어할 수도 있다.In the present invention, although the two light sources 111a and 111b are described as being spaced from the light detecting unit 112 at equal intervals, the amount of current applied to the light sources 111a and 111b may be controlled, 1121 may be controlled so that the time-average light intensity values of the optical signals input to the optical fibers 1121 and 1121 become uniform.

이때, 다수의 수광픽셀로 이루어진 이미지 센서의 위치에서의 광신호를 보면, 두 개의 광원(111a, 111b)에 의해 방사되는 각각의 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 공간적으로 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따르게 된다. At this time, in the optical signal at the position of the image sensor composed of a plurality of light receiving pixels, the time-average light intensity value of each optical signal emitted by the two light sources 111a and 111b is spatially It follows a Gaussian distribution.

즉, 광원(111a)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은, 제1 가우시안 분포(G1)를 따르며, 광원(111b)에 의해 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 제2 가우시안 분포(G2)를 따르게 된다. That is, the time-averaged light intensity value of the optical signal emitted by the light source 111a follows the first Gaussian distribution G1, and the time-average of the optical signal emitted by the light source 111b the time-average light intensity value follows the second Gaussian distribution G2.

이처럼 이미지 센서를 기준으로 대칭적으로 배치된 광원(111a, 111b) 중심축 사이의 전체간격(D)은 제1 가우시안 분포(G1) 및 제2 가우시안 분포(G2)가 동일한 광세기 분포 특성을 갖는다고 가정한 경우, 표준편차(σ)에 의해 결정될 수 있는데, 표준편차의 2배 간격으로 결정한 경우, 균등 분포 구간(R1)을 확보할 수 있게 된다.The overall distance D between the center axes of the light sources 111a and 111b arranged symmetrically with respect to the image sensor has the same light intensity distribution characteristic as the first Gaussian distribution G1 and the second Gaussian distribution G2 , It can be determined by the standard deviation (?), But if it is determined to be twice the standard deviation, it is possible to obtain the uniform distribution section (R1).

이때, 전술과 같이 광검출부(112)를 기준으로 두 개의 광원(111a, 111b)이 배치되는 경우, 양자난수생성장치의 크기를 최소화하기 위해서는 광원(111a, 111b)과 광검출부(112)간의 거리를 최소화할 수 있어야 한다. 즉, 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾을 수 있어야 하는데, 이는 각 광원(111a, 111b)에 인가되는 전류량을 조절하여 각 광원(111a, 111b)에서 방출되는 빛의 세기를 조절함으로써 가능하게 된다.In this case, when the two light sources 111a and 111b are disposed on the basis of the light detecting unit 112 as described above, the distance between the light sources 111a and 111b and the light detecting unit 112 . That is, it is necessary to find an optimal light intensity distribution capable of maintaining the characteristics of the Poisson distribution. This is because the amount of current applied to each of the light sources 111a and 111b is controlled, It becomes possible by adjusting the intensity of light.

좀 더 구체적으로 광세기를 조절함으로써, 표준편차를 조절할 수 있고, 이는 결국, 두 광원 사이의 거리를 조절하고 최소화 할 수 있음을 의미한다.More specifically, by adjusting the light intensity, the standard deviation can be adjusted, which means that the distance between the two light sources can be adjusted and minimized.

물론, 본 발명에서는 난수생성기의 커버면을 통해 빛을 반사시키기 때문에 광세기 분포의 특성이 정확하게 가우시안 분포를 따르지는 않으며, 광원 또한 정확하게 가우시안 분포를 따르지는 않는다(가우시안 분포의 합, cosine power의 합 등). 그렇지만, 광원에서 멀수록 광세기가 약해지는 특성은 유사하게 유지되며, 복수개의 광원들 사이의 간격을 최소화한 상황에서 광원들에 인가되는 전류량을 제어하고, 이를 통해 광세기를 조절함으로써, 최종적으로는 이미지 센서의 각 픽셀에 입력되는 광세기를 균일하게 만들 수 있게 되는 것이다. Of course, in the present invention, since the light is reflected through the cover surface of the random number generator, the characteristics of the light intensity distribution do not exactly follow the Gaussian distribution, and the light source does not exactly follow the Gaussian distribution (sum of Gaussian distributions, sum of cosine powers Etc). However, the characteristics of weakening the light intensity farther from the light source are similarly maintained, and the amount of current applied to the light sources is controlled in a state where the interval between the plurality of light sources is minimized, The light intensity input to each pixel of the image sensor can be made uniform.

이하에서는, 광원이 가지는 분포가 가우시안 분포일 때 광원관리부(110) 내 다수의 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 하여 난수를 생성하는 흐름을 보다 구체적으로 설명하도록 하겠다.Hereinafter, a flow of generating a random number by uniformizing a time-average light intensity value of an optical signal input to a plurality of light receiving pixels in the light source management unit 110 when the distribution of the light source has a Gaussian distribution I will explain it concretely.

도 7 및 도 8을 참고하면, 다수의 수광픽셀(1121)은 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출한다(S100, S110).Referring to FIGS. 7 and 8, a plurality of light receiving pixels 1121 detect optical signals emitted from at least two light sources (S100, S110).

보다 구체적으로, 기판(113)상에서 광검출부(112)를 기준으로 광원(111a)과 광원(111b)이 대칭으로 배치되는 경우, 광원(111a)에서 방사된 광신호가 커버면(114)에 반사되면, 다수의 수광픽셀(1121)은, 전체간격(D) 내에서 형성되는 제1 가우시안 분포(G1)에 대응하는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 입력 받게 된다.More specifically, when the light source 111a and the light source 111b are symmetrically disposed on the substrate 113 with respect to the light detecting unit 112, when the light signal emitted from the light source 111a is reflected on the cover surface 114 The plurality of light receiving pixels 1121 receive the time-average light intensity value of the optical signal corresponding to the first Gaussian distribution G1 formed in the entire interval D,

즉, 다수의 수광픽셀(1121) 중 광원(111a)과 가장 가까운 위치의 수광픽셀은 가장 큰 시간 평균 광세기값을 입력 받게 되며, 그 외 나머지 수광픽셀은 광원(111a)으로부터 점차적으로 멀어질수록 감소하는 제1 가우시안 분포(G1)에 대응하여 점차 감소하는 시간 평균 광세기값을 입력 받게 된다.That is, among the plurality of light-receiving pixels 1121, the light-receiving pixels nearest to the light source 111a receive the largest time-averaged light intensity value, and the other light-receiving pixels gradually become farther from the light source 111a The time-averaged light intensity value gradually decreases corresponding to the decreasing first Gaussian distribution G1.

이에, 다수의 수광픽셀(1121)은, 광원(111a)에서 방사된 광신호가 커버면(114)에 반사되면, 광원(111a)에서 방사된 광신호의 시간 평균 광세기값을 전체간격(D) 내에서 형성되는 제1 가우시안 분포(G1)에 따라 비대칭적으로 입력 받게 된다.The plurality of light receiving pixels 1121 are arranged such that when the optical signal emitted from the light source 111a is reflected on the cover surface 114, the time-averaged light intensity value of the optical signal emitted from the light source 111a, Asymmetrically according to the first Gaussian distribution (G1) formed within the first Gaussian distribution (G1).

이처럼, 다수의 수광픽셀(1121)이 전술과 같이 광원(111a)로부터 비대칭적인 광신호의 시간 평균 광세기값을 입력 받는 동안, 광원(111b)에서도 광신호가 방사되어 커버면(114)에 반사되므로, 다수의 수광픽셀(1121)은, 전체간격(D) 내에서 형성되는 제2 가우시안 분포(G2)에 대응하는 광신호의 시간 평균 광세기값을 동시에 입력 받게 된다.While a plurality of light receiving pixels 1121 receive time-averaged light intensity values of an asymmetrical optical signal from the light source 111a as described above, optical signals are also radiated from the light source 111b and reflected on the cover surface 114 Receiving pixels 1121 receive the time-averaged light intensity values of the optical signals corresponding to the second Gaussian distribution G2 formed in the entire interval D at the same time.

즉, 다수의 수광픽셀(1121) 중 광원(111b)과 가장 가까운 위치의 수광픽셀은 가장 큰 시간 평균 광세기값을 입력 받게 되며, 그 외 나머지 수광픽셀은 광원(111b)으로부터 점차적으로 멀어질수록 감소하는 제2 가우시안 분포(G2)에 대응하여 점차 감소하는 시간 평균 광세기값을 입력 받게 된다.That is, among the plurality of light-receiving pixels 1121, the light-receiving pixels nearest to the light source 111b receive the largest time-averaged light intensity value, and the other light-receiving pixels gradually become farther from the light source 111b The time-averaged light intensity value gradually decreases corresponding to the decreasing second Gaussian distribution G2.

따라서, 다수의 수광픽셀(1121)은, 광원(111a)에서 방사된 광신호의 시간 평균 광세기값을 제1 가우시안 분포(G1)에 따라 비대칭적으로 입력 받는 동시에 광원(111b)에서 방사된 광신호의 시간 평균 광세기값을 제2 가우시안 분포(G2)에 따라 비대칭적으로 입력 받게 되므로, 각 광원(111a, 111b)으로부터 방사되어 합쳐진 광신호의 시간 평균 광세기값에 대한 가우시안 분포의 합에 의해 비대칭성이 상호 보상되어 균등 분포 구간(R1)을 확보함으로써 균일한 광량을 입력 받게 되는 것이다.Accordingly, the plurality of light receiving pixels 1121 receive asymmetrically the time-averaged light intensity value of the optical signal emitted from the light source 111a according to the first Gaussian distribution G1, and simultaneously receive the light emitted from the light source 111b Since the time-averaged light intensity values of the signals are asymmetrically input according to the second Gaussian distribution G2, the sum of the Gaussian distributions of the time-averaged light intensity values of the combined optical signals emitted from the respective light sources 111a and 111b The asymmetry is mutually compensated to secure the uniform distribution section R1 so that a uniform amount of light is received.

이때, 양자난수생성장치의 크기가 최소화되도록 광원(111a, 111b)에 인가되는 전류량을 조절하여 포아송 분포(Poisson distribution)의 특성을 유지할 수 있는 최적의 광세기 분포를 찾아 두 광원(111a, 111b) 사이의 거리를 조절하고 최소화한다.At this time, the amount of current applied to the light sources 111a and 111b is adjusted so that the size of the quantum random number generating device is minimized, and the light sources 111a and 111b search for an optimal light intensity distribution capable of maintaining the Poisson distribution characteristic, Adjust the distance between and minimize.

이처럼 다수의 수광픽셀(1121)에서 균일한 광량을 획득할 수 있으므로, 각 픽셀에서의 양자 노이즈를 이용한 난수성을 동일하게 유지할 수 있으며, 이를 이용해 우수한 품질의 난수를 생성할 수 있게 된다(S120).Since a uniform light amount can be obtained in the plurality of light-receiving pixels 1121, the random number using the quantum noise in each pixel can be maintained at the same level, and a random number of high quality can be generated using this random number (S120) .

전술에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 하는 일례로 광검출부를 기준으로 2개의 광원이 대칭적으로 배치된 양자난수생성장치에 대하여 설명하였으나, 도 9와 같이 광검출부(112)를 기준으로 4개의 광원(111a, 111b, 111c, 111d)이 대칭으로 배치될 수도 있다.In the above description, the quantum random number generation device in which two light sources are symmetrically arranged on the basis of the photodetector portion is described as an example of uniformizing the spatial light intensity distribution of the optical signal radiated from the light source and input to each pixel, The four light sources 111a, 111b, 111c, and 111d may be symmetrically arranged with respect to the light detecting unit 112 as shown in FIG.

즉, 광검출부(112)를 기준으로 광원(111a) 및 광원(111b)이 제1 방향(x)으로 대칭이 되도록 배치되며, 광검출부(112)를 기준으로 광원(111c) 및 광원(111d)이 제1 방향(x)과 수직하는 제2 방향(y)으로 대칭이 되도록 배치된다.That is, the light source 111a and the light source 111b are arranged symmetrically with respect to the light detecting unit 112 in the first direction x, and the light source 111c and the light source 111d are disposed with respect to the light detecting unit 112, Are arranged symmetrically in a second direction (y) perpendicular to the first direction (x).

또한, 복수 개의 광원을 표준편차의 2배 간격이 되도록 광검출부(112)의 각 면을 따라 일렬로 나란히 배치하게 되면, 도 10과 같이 광세기가 균등한 소정 범위의 균등 분포 구간(R2)을 확보할 수 있고 이를 이용하면, 양자난수생성장치의 크기 및 성능 요구에 따라 4개 보다 많은 광원을 사용할 수도 있게 된다.When a plurality of light sources are arranged in a row along each surface of the optical detector 112 so as to be spaced twice the standard deviation, a uniform distribution section R2 of a predetermined range of light intensity equal to It is possible to use more than four light sources according to the size and performance requirements of the quantum random number generating device.

본 발명에서는 광검출부(112)가 4개의 면을 갖는 것으로 언급하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 원형으로 형성된 경우에도 원을 둘러싸도록 광원을 배치하여 소정 범위의 균등 분포 구간을 확보할 수도 있다.Although the present invention has been described with reference to the case where the photodetector 112 has four surfaces, the present invention is not limited thereto. Even when the photodetector 112 is formed in a circular shape, a light source may be disposed so as to surround the circle, .

즉, 광원의 개수와 관계없이 광검출부(112)를 기준으로 광원이 대칭적으로 배치된다면, 다수의 수광픽셀(1121)은 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간 평균 광세기값을 균일하게 입력 받을 수 있게 되는 것이다. That is, if the light sources are arranged symmetrically with respect to the light detecting unit 112 regardless of the number of the light sources, the plurality of light receiving pixels 1121 emit the time-averaged light intensity value of the optical signal radiated from the light source and input to each pixel It is possible to receive the input uniformly.

본 발명에서는 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 하기 위해 가우시안 분포를 일례로 이용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이외에도 광원에 의해 발생될 수 있는 임의의 분포 특성에 대해서도 유사한 방식으로 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 공간적 광세기 분포(spatial intensity distribution)를 균일하게 확보할 수 있다.In the present invention, the Gaussian distribution is used as an example in order to uniform the spatial intensity distribution of the optical signal radiated from the light source and input to each pixel. However, the present invention is not limited to this, The spatial intensity distribution of the optical signal input to each pixel can be uniformly obtained by radiating from the light source in a similar manner to any distribution characteristic that can be obtained.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 광원으로부터 방사되어 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 입력 받게 됨에 따라 각 수광픽셀에서의 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있는 효과를 도출한다.As described above, according to the present invention, since the time-average light intensity values of the optical signals radiated from the light source and input to the respective pixels are uniformly input, the randomness of the light- The same effect can be obtained.

또한, 본 발명에 따른 양자난수생성장치의 구현 시, 별도의 회로를 추가하는 복잡한 과정을 수행하지 않고도 광검출부를 기준으로 광원을 대칭으로 배치하는 것에 의해 하드웨어적인 구성을 단순화하여 양자난수생성장치의 크기를 최소화할 수 있게 된다. In addition, in the implementation of the quantum random number generation apparatus according to the present invention, the light source is symmetrically arranged with respect to the optical detection unit without performing a complicated process of adding a separate circuit, thereby simplifying the hardware configuration, The size can be minimized.

또한, 본 발명에 따른 양자난수생성장치는, 각 수광픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값을 균일하게 할 수 있으므로 각 수광픽셀의 출력값을 해석하는 후처리 단계의 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 출력값의 우수한 난수성(randomness)을 동일하게 유지할 수 있게 된다.Also, the quantum random number generation apparatus according to the present invention can uniformize the time-average light intensity values of the optical signals input to the respective light receiving pixels, so that the post-processing step of analyzing the output values of the respective light receiving pixels The complexity of the algorithm can be reduced, and the excellent randomness of the output value can be kept the same.

한편, 여기에 제시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘 또는 제어기능의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Meanwhile, the steps of a method or algorithm or control function described in connection with the embodiments disclosed herein may be embodied directly in hardware, or may be implemented in the form of a program instruction that may be executed via various computer means, . The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

본 발명의 복수의 광원을 이용하여 광신호의 공간적 광세기 분포를 균일하게 제어하는 기능을 가지는 난수생성장치에 따르면, 이미지 센서의 각 픽셀들로 각각 입력되는 광세기의 시간-평균값을 균일하게 할 수 있다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.According to the random number generation apparatus having the function of uniformly controlling the spatial light intensity distribution of the optical signal using the plurality of light sources of the present invention, the time-average value of the light intensity input to each pixel of the image sensor is made uniform It is possible to carry out not only the use of related technology but also the possibility of commercialization or sales of the applied device, but also to be practically and practically possible, to be.

100: 양자난수생성장치 110: 광원관리부
111: 광원부 111a, 111b, 111c, 111d: 광원
112: 광검출부 1121: 수광픽셀
113: 기판 114: 커버면
100: Quantum random number generation device 110: Light source management unit
111: Light source units 111a, 111b, 111c, 111d:
112: light detecting portion 1121: light receiving pixel
113: substrate 114: cover surface

Claims (7)

적어도 두 개의 광원;
상기 적어도 두 개의 광원으로부터 방사되는 광신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 수광픽셀을 포함하는 광검출부; 및
상기 수광픽셀에 의하여 검출되는 광량의 양자 노이즈를 이용하여 난수를 생성하는 난수생성부를 포함하며,
상기 적어도 두 개의 광원은 상기 적어도 두 개의 광원에서 각각 방사되어 합쳐진 광신호가 상기 수광픽셀로 입력될 때 상기 수광픽셀의 각 픽셀로 입력되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 광검출부를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
At least two light sources;
A photodetector including at least one light receiving pixel for detecting an optical signal emitted from the at least two light sources; And
And a random number generator for generating a random number using quantum noise of the amount of light detected by the light receiving pixel,
Wherein the at least two light sources are configured such that a time-average light intensity value of an optical signal input to each pixel of the light-receiving pixel when the combined optical signal radiated from the at least two light sources is input to the light- Wherein the optical detector is symmetrically disposed about the optical detector.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 광원은,
상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해지는 최소 거리에서 상기 광검출부를 기준으로 대칭이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
The method according to claim 1,
Wherein the at least two light sources comprise:
Wherein the optical signal generating unit is arranged to be symmetrical with respect to the optical detecting unit at a minimum distance at which a time-average light intensity value of the optical signal becomes uniform.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 광원이 상기 광검출부와 동일한 기판상에 위치하는 경우, 상기 적어도 두 개의 광원은 상기 광검출부로부터 동일한 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
The method according to claim 1,
Wherein the at least two light sources are disposed at the same distance from the optical detection unit when the at least two light sources are located on the same substrate as the optical detection unit.
제 1 항에 있어서,
상기 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값이 균일해 지도록 상기 적어도 두 개의 광원의 배치 위치를 조정하는 것과 함께 상기 적어도 두 개의 광원 중 적어도 하나의 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control unit adjusts the arrangement position of the at least two light sources so that a time-average light intensity value of the optical signal becomes uniform, and controls an amount of current of at least one of the at least two light sources Generating device.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 광원에 의해 각각 방사되는 광신호의 시간-평균(time-average) 광세기값은 각각 상기 광원이 가질 수 있는 적어도 하나의 분포 특성을 따르며,
상기 적어도 두 개의 광원 중 서로 대칭관계에 있는 광원 사이의 간격은 상기 적어도 하나의 분포 특성을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
The method according to claim 1,
The time-averaged light intensity values of the optical signals respectively emitted by the at least two light sources each follow at least one distribution characteristic that the light source can have,
Wherein a spacing between light sources symmetrical to each other among the at least two light sources is determined based on the at least one distribution characteristic.
제 5 항에 있어서,
상기 분포 특성이 가우시안 분포인 경우, 상기 서로 대칭관계에 있는 광원 사이의 간격은 상기 가우시안 분포의 표준편차의 2배인 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
6. The method of claim 5,
Wherein when the distribution characteristic is a Gaussian distribution, the interval between the light sources in symmetry with each other is twice the standard deviation of the Gaussian distribution.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 광원에서 방사되는 광신호를 반사하는 커버면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난수생성장치.
The method according to claim 1,
And a cover surface for reflecting optical signals emitted from the at least two light sources.
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