Quantum random number generators are a burgeoning technology used for a variety of applications, including modern security and encryption systems. Typical methods exploit an entropy source combined with an extraction or bit generation circuit in order to produce a random string. In integrated designs there is often little modelling or analytical description of the entropy source, circuit extraction and post-processing provided. In this work, we first discuss theory on the quantum random flip-flop (QRFF), which elucidates the role of circuit imperfections that manifest themselves in bias and correlation. Then, a Verilog-AMS model is developed in order to validate the analytical model in simulation. A novel transistor implementation of the QRFF circuit is presented, which enables compensation of the degradation in entropy inherent to the finite non-symmetric transitions of the random flip-flop. Finally, a full system containing two independent arrays of the QRFF circuit is manufactured and tested in a 55 nm Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) technology node, demonstrating bit generation statistics that are commensurate to the developed model. The full chip is able to generate 3.3 Gbps of data when operated with an external LED, whereas an individual QRFF can generate 25 Mbps each of random data while maintaining a Shannon entropy bound > 0.997, which is one of the highest per pixel bit generation rates to date. NIST STS is used to benchmark the generated bit strings, thereby validating the QRFF circuit as an excellent candidate for fully-integrated QRNGs.


翻译:量子随机随机数生成器是一种用于各种应用,包括现代安全和加密系统的快速技术。典型的方法是利用英特罗比源以及提取或比特生成电路来生成随机字符串。在集成设计中,对随机翻转源、电路提取和后处理的有限非对称转换过程所固有的英特罗比的模型或分析描述往往很少。在这项工作中,我们首先讨论量随机翻翻滚(QRFF)电路的理论,该理论阐明了在偏差和相关性中表现的电路不完善的作用。然后,开发了Verilog-AMS模型,以验证模拟分析模型。展示了QRF电路的新型晶片应用,从而能够补偿随机翻转流源、电路提取和后处理的有限非对称转换过程所固有的英特罗比。最后,一个包含QRF电路流两个独立阵列的完整系统,在55海里的双极-CMOS(BCD)技术节中制造和测试,显示与所开发模型相当的比重的比生成数据。完整芯可以生成一个RDRRF的每个正罗比的自动生成数据,同时生成一个ODRDRMB的每个正数的精度,而能生成一个正数的精度,而一个总可生成的精准的精准的精准的精准的精准的精准的精准的精准的根。

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