Quantum mechanics provides a fundamentally different approach to randomness generation, as it allows us to generate truly random numbers based on the inherent uncertainty when measuring quantum states. Quantum random number generators (QRNGs) exploit the probabilistic nature of quantum mechanics to produce random numbers that are not predictable, regardless of how much knowledge one has about the generator. The theoretical frameworks within quantum mechanics also offer the possibility to implement modern protocols that can certify the generated numbers to be private, ensuring that the QRNGs are secure against potential adversaries.
In this thesis, we present contributions to the field of photonic quantum random number generation, focusing on alternative implementations of measurement-device-independent (MDI) protocols. These protocols aim to eliminate potential vulnerabilities associated with the measurement devices used in QRNGs. We show that fiber-optic interferometers are a suitable platform for preparing quantum states for MDI-QRNGs, and we demonstrate the use of Sagnac interferometers as state preparation devices. We also explore novel platforms such as perovskite light-emitting diodes for quantum information processing tasks.
By combining experimental innovation with modern theoretical frameworks, this thesis presents a series of advancements that push the boundaries of quantum random number generation. It demonstrates that high-quality, certifiable, and private randomness can be generated using accessible and scalable technologies, paving the way for secure crypto-graphic hardware that is resilient to both classical and quantum adversaries.
Slumptal รคr en nรถdvรคndig resurs fรถr mรฅnga omrรฅden inom datavetenskapen och naturvetenskapen. De anvรคnds fรถr en mรคngd olika รคndamรฅl, sรฅsom simuleringar, statistiska urval, spel och kryptografi. Traditionellt genereras slump i datorer ofta av pseudo-slumptalsgeneratorer (PRNG) vilka รคr mjukvarualgoritmer som producerar sekvenser av tal som verkar slump-mรคssiga men som i sjรคlva verket รคr deterministiska. Om tillrรคckligt mycket av det interna tillstรฅndet i PRNG:n รคr kรคnt kan framtida utdata fรถrutsรคgas. Detta รคr sรคrskilt problematiskt i kryptografiska tillรคmpningar, dรคr systemets sรคkerhet รคr beroende av ofรถrutsรคgbarheten hos slumpmรคssigt genererade lรถsenord och nycklar. Inom kryptografi รคr det ocksรฅ viktigt att de slumpmรคssiga talen รคr privata, vilket innebรคr att de inte fรฅr vara kรคnda av en eventuell angripare. Konceptet privathet illustreras bรคst av ett attackscenario dรคr en angripare har fรถrprogrammerat slumptalsgeneratorn att generera en (fรถr angriparen) kรคnd sekvens. Sekvensen kan dรฅ verka slumpmรคssig, รคven om den inte รคr privat, eftersom information om sekvensen finns bรฅde hos den legitima anvรคndaren och hos angriparen.
Kvantmekaniken mรถjliggรถr ett fundamentalt annorlunda tillvรคgagรฅngssรคtt fรถr generering av slumpmรคssiga tal, eftersom det baserat pรฅ den inneboende osรคkerheten i kvantmekaniska mรคtningar gรฅr att generera รคkta slumptal. Kvantslumptalsgeneratorer (QRNG) utnyttjar den probabilistiska naturen hos kvantmekanik fรถr att producera slumpmรคssiga tal som inte รคr fรถrutsรคgbara, oavsett hur mycket vetskap man har om generatorn. De teoretiska ramverken inom kvantmekaniken ger ocksรฅ mรถjligheten att implementera moderna protokoll som kan certifiera att de genererade talen รคr privata, vilket sรคkerstรคller att QRNG:n รคr sรคker mot potentiella angripare.
I denna avhandling presenterar vi bidrag till omrรฅdet fotoniska kvantslumptalsgeneratorer, med fokus pรฅ alternativa implementeringar av measurement-device-independent-protokoll (MDI-protokoll). Dessa protokoll syftar till att eliminera potentiella sรฅrbarheter som รคr fรถrknippade med mรคtapparaten som anvรคnds i QRNG:n. Vi visar att fiberoptiska interferometrar รคr en lรคmplig plattform fรถr att bereda kvanttillstรฅnd fรถr MDI-QRNG:er, och vi demonstrerar anvรคndandet av Sagnac-interferometrar som tillstรฅndsberedningsenheter. Vi utforskar ocksรฅ nya plattformar sรฅsom perovskitlysdioder fรถr att utfรถra behandling av kvantinformation.
Genom att kombinera experimentell innovation med moderna teoretiska metoder presenterar denna avhandling en serie framsteg som utmanar grรคnserna fรถr kvantslumptalsgenerering. Avhandlingen visar att hรถgkvalitativ, certifierbar och privat slump kan genereras med hjรคlp av tillgรคnglig och skalbar teknik, vilket banar vรคg fรถr sรคker kryptografisk hรฅrdvara som รคr motstรฅndskraftig mot sรฅvรคl klassiska angrepp som kvantangripare.