Quantum números al azar de un láser -- configuración más simple?

Question

Estoy un software / matemáticas chico que le gustaría construir una instalación física para la generación de quantum números aleatorios. Yo no tengo la física fondo, así que tengan paciencia conmigo.

De fondo

• El proyecto es para una exposición pública, por lo que es importante para mí que el programa de instalación debería ir a la moda, o al menos interesante, y debe revelar algo acerca de cómo funciona. Llamadas a la API para un QRNG en internet no servir a ese propósito. También es necesario para estar seguro de tener cerca a la gente, aunque quizás en una caja de vidrio o lo que sea.
• No tengo un gran presupuesto o cualquier física o habilidades de ingeniería, por lo que necesito algo que no requiere mucha habilidad o especialista en equipos para construir. No me importa el aprendizaje en el trabajo, a pesar de que, y yo podría ser capaz de contar con la ayuda de un físico más abajo de la línea.
• Yo en realidad no necesita los números generados a exhibir "verdadera aleatoriedad", y espero que de mayor escala de efectos (temperatura, vibración, etc) va a interferir con el cuántica; pero quiero ser capaz de decir honestamente que la emisión de fotón veces (o lo que sea) que están influyendo en los resultados.

Mi muy áspera entender es que esto se puede hacer por apuntar un láser en una fotocélula; la resistencia de la célula debe variar ligeramente a medida que el número de fotones que llegan varía. Así que si mi software pide a la fotocélula de su valor actual, y se ve en los últimos dígitos de ese valor, en la teoría de las fluctuaciones debe tener un origen cuántico.

Preguntas

1. Es la configuración que yo he descrito factible y probable para trabajar con bajo costo de los componentes?
2. Si no, puede sugerir otro enfoque?
3. Si es así, ¿cómo puedo averiguar qué fuerza de láser y de la sensibilidad de la fotocélula necesito conseguir el efecto? (Es decir, cómo "grande" es la fluctuación en el poder?) ¿Qué otras técnicas cosas que necesito tener en cuenta?

Nota

Inevitablemente, esta pregunta es una mezcla de la física y la ingeniería-estoy buscando principalmente (en)validación del enfoque general aquí, y va a tomar específicos preguntas de ingeniería en otro lugar si es necesario. Tengo la esperanza de que, quizás en vano, que con una buena definición de la física, la ingeniería, la parte puede realizarse mediante el montaje de un par de componentes del inventario.

Answer 1

Una forma alternativa de generar números aleatorios, lo que es verdaderamente cuántica, y también muy fácil: poner una pequeña fuente radiactiva cerca de un contador Geiger. La desintegración radiactiva es verdaderamente un evento aleatorio en el quantum sentido, y es, básicamente, no sujeto a ruido térmico.

Para el máximo impacto visual, sustituir el contador Geiger con una cámara de niebla. De esa manera usted puede, literalmente, ver las consecuencias de quantumly-eventos aleatorios. Usted podría hacer números aleatorios usando una cámara web y algunos básicos de procesamiento de imágenes.

Answer 2

Si he entendido bien, lo que usted está tratando de construir es un hardware basado generador de números aleatorios, donde desea utilizar algo de la mecánica cuántica, basada en el mecanismo de suministro de la aleatoriedad.

Yo no soy experimentales, por lo tanto, tome mis comentarios con un grano de sal.

Tu sugerencia es el uso de Schottky el ruido de un iluminado fotodiodo. Creo que es una muy seguro de configuración (detector de + origen de la luz), pero su problema es que usted probablemente se necesitará una luz muy tenue, y, en consecuencia, debidamente sellados caso, con el fin de no saturar completamente el fotodiodo, incluso si se opera a altas frecuencias de muestreo.

Incluso con una alta frecuencia de muestreo (~ 1 ghz+), creo que sería necesario una luz tenue de origen debido a las siguientes:

Incluso si el fotodiodo sólo medir la óptica de los fotones, una típica óptica fotón tiene una energía entre 1,5 eV y 4 eV ~= 2.4-6.4 x 10^{-19} J

Si usted tiene un $\mu W$ láser, suponiendo que el láser está completamente cubierta por el detector, se sigue, en el mejor de los casos, alrededor de $0.15 \times 10^{19-6} = 1.5 \times 10^{12}$ fotones por segundo, por lo que, en fin, a ver que cada uno de ellos, usted tendría algo con una THz o más de la tasa de muestreo, lo que probablemente es bastante caro.

Así que, o bien se obtiene una muy láser de baja potencia, es decir, $nW$ o menos, o una forma de bajar la potencia de un láser más potente. Una manera de hacerlo es reducir la potencia de salida del láser y también para obtener una lente divergente, por lo que no todos los láser de luz se deposita en el detector. Si usted puede obtener un factor de 1000 inferior, usted podría tener la oportunidad de medir con un GHz sampler.

También, usted podría tener que enfriar todo el sistema, con el fin de obtener el ruido de disparo a ser más grande que el ruido térmico. No estoy seguro de si sería factible en la temperatura de la habitación, usted tendría que comprar un poco de nitrógeno líquido con requerir un poco de atención (correcto de guantes, la botella y el caso de ella).

Yo sugiero que si usted no tiene que crear un Quantum RNG, acaba de obtener un ruido térmico de medición como su generador de números aleatorios. Es probablemente la forma más fácil que eso.

En cualquier caso, te deseo suerte.

Answer 3

Para agregar a Nathaniel Respuesta debido a que (1) es una buena respuesta, y (2) me pongo nervioso recomendar radiactivos de manejo de materiales a nadie no sé: me gustaría pensar realmente acerca de la cámara de niebla idea, especialmente puesto que usted es un software de tipo con una experiencia en las matemáticas. Tendría que estar dentro de una oscurecido envase, pero puede ejecutar una cámara web para mostrar lo que está pasando. Usted puede ejecutar su cámara de niebla satisfactoriamente en cualquiera de las siguientes fuentes:

1. Uranio de vidrio. Este es un bajo nivel de fuente, el uranio es de vidrio, por lo que no se puede ingerir y es fácilmente disponible como el uranio bolitas de vidrio. Ver mi respuesta aquí para posibles proveedores. Hay un video de youtube de una casa de cloudchamber con uranio vidrio aquí

2. Alternativamente, usted puede hacer su cámara de niebla grande - usted sólo tiene que tener funcionando un poco más de tiempo antes de que su demostración - y obtendrá un show de rayos cósmicos de muones para esquí de fondo. Usted no necesita ninguna fuente radiactiva. La gran nube de la cámara funcionaría mejor con el uranio de vidrio. Ver Sheehy, S. L. "Cómo hacer una cámara de niebla", producido por el Instituto de Cockroft en la Universidad de Oxford (google Suzy Sheehy) para algunos muy buenos instrucciones acerca de esto.

Por último, me remito de nuevo a mi respuesta aquí para la discusión de las medidas de seguridad para el uranio manipulación de vidrio

Answer 4

Cuál es el efecto que estás buscando: Señor Asistente, de Rube Goldberg, o MacGyver?

Para una limpieza "Señor" Asistente efecto, el uso de la cámara de niebla que otros han sugerido. Esto tiene la más sencilla de la configuración de hardware de los tres: poner su fuente de radiación por su cámara de niebla, punto de tu cámara, y listo. Pero el software será mucho más difícil que los otros dos, porque tendría que recurrir al procesamiento de la imagen para obtener números aleatorios de las imágenes que la cámara está tomando.

Para un complejo "Rube Goldberg" en efecto, el uso del láser y el fotodiodo. El software es mucho más fácil, porque todo lo que tendría que hacer es medir la corriente que viene de la fotocélula. Un puntero láser y fotodiodo debe hacer (además de un ADC para convertir la señal en números), pero es posible que desee utilizar el humo y los espejos (literalmente) para mejorar los efectos visuales: el fuego de la viga a través del humo para hacerla visible, y de rebote fuera de espejos en formas interesantes. De esta forma se hace mucho más compleja de hardware de la cámara de niebla, pero debe darle algunos ordenada de elementos visuales.

Para un do-it-yourself "MacGyver" en efecto, el uso de dos LEDs, uno de los cuales está conectado al revés. Lo curioso acerca de los Led es que un inversa sesgada LED puede actuar como un fotodiodo, así que usted puede tener el mismo tipo de hardware en el envío y recepción final. El software es el mismo que se utiliza para el láser/de la fotocélula. Dependiendo de tu nivel de experiencia, usted debe ser capaz de capturar algunos (o incluso todas) de equipos de electrónica común: dos Led, una luz oscura filtro de algún tipo para poner detrás de ellos, y un ADC. Esta es la menos impresionante instalación visualmente, y el hardware sabio que cae entre la nube de la cámara y el láser/fotodiodo, pero tiene otras fresco factores para compensar: estás usando el mismo tipo de componente para enviar y recibir, y usted puede capturar todas las piezas. También debe ser muy barato, especialmente si usted puede capturar, así que usted puede incluso ser capaz de publicar las instrucciones para cómo la gente puede construir su propio.

Answer 5

Su propuesta de instalación es bastante cercana, excepto que también/principalmente ser sensibles a la clásica (no cuántica) fluctuaciones en la potencia del láser. La instalación podría ser más quantum-ey mediante la adición de un beamsplitter y un extra de fotodetector. Específicamente, usted tiene un láser, un 50:50 beamsplitter, y 2 detectores (uno en cada puerto de salida de la beamsplitter). Luego de restar la fotocorriente de cada detector (tal vez con un tweak de las ganancias o beamsplitter ángulo para asegurar que la media es cero). El láser de ruido se resta de distancia como es común a ambos detectores y lo que queda son las fluctuaciones del vacío, o tal vez de una forma más intuitiva, la aleatoriedad asociada con las fotones de decidir que el detector de ser detectado.