Generación cuántica de números aleatorios mediante láseres de semiconductor de emisión lateral

Abstract

En el presente trabajo se ha estudiado la generación cuántica de números aleatorios (QRNG) mediante láseres de semiconductor de emisión lateral, con especial atención al ruido de fase originado por la emisión espontánea. Se han aplicado conocimientos impartidos en la carrera sobre óptica, fotónica, tecnologías cuánticas, programación y estadística. Se ha reproducido un montaje experimental basado en la interferencia de la señal emitida por un láser de modo discreto (DML) con la señal emitida por un láser sintonizable con objeto de medir la fase óptica del DML. El análisis de la fase óptica se ha llevado a cabo mediante técnicas numéricas avanzadas de desenvolvimiento de fase. Se ha confirmado que la variación de fase sigue un proceso estocástico gaussiano con un valor alto de varianza, lo que permite su uso como fuente de entropía cuántica. Posteriormente, se ha reproducido otro experimento con objeto de generar números aleatorios variando la corriente del láser, observándose que las intensidades cercanas al umbral (14,5–15 mA) ofrecen distribuciones de fase y entropía óptimas para la extracción de bits. Las métricas estadísticas de aleatoriedad -entropía de Shannon y min-entropía- alcanzan valores próximos al máximo teórico (en nuestro experimento 10 bits). Se ha implementado el algoritmo de Von Neumann para eliminar sesgos en la extracción de bits, obteniendo distribuciones casi uniformes tras el postprocesado. En conjunto, este trabajo demuestra la viabilidad de utilizar láseres de emisión lateral como fuentes compactas y eficientes de aleatoriedad cuántica, siendo de especial interés para aplicaciones en criptografía cuántica y distribución cuántica de claves (QKD). Asimismo, se han aportado resultados adicionales no explorados previamente, como la caracterización de la dependencia del sistema con la corriente y el análisis detallado de la fase desenvuelta.

In the present work, the quantum generation of random numbers (QRNG) using edge-emitting semiconductor lasers has been studied, with special attention to the phase noise caused by spontaneous emission. Knowledge imparted during the physics degree on optics, photonics, quantum technologies, programming, and statistics has been applied. An experimental setup has been reproduced based on the interference of the signal emitted by a discrete mode laser (DML) with the signal emitted by a tunable laser, with the aim of measuring the optical phase of the DML. The analysis of the optical phase has been carried out using advanced numerical phase unwrapping techniques. It has been confirmed that the phase variation follows a Gaussian stochastic process with a high variance value, allowing its use as a source of quantum entropy. Subsequently, another experiment was conducted with the aim of generating random numbers by varying the laser current, observing that intensities close to the threshold (14.5–15 mA) offer optimal phase distributions and entropy for bit extraction. The statistical randomness metrics—Shannon entropy and min-entropy—reach values close to the theoretical maximum (in our experiment, 10 bits). The Von Neumann algorithm has been implemented to eliminate bias in bit extraction, resulting in nearly uniform distributions after post-processing. Overall, this work demonstrates the feasibility of using edge-emitting lasers as compact and efficient sources of quantum randomness, being of particular interest for applications in quantum cryptography and quantum key distribution (QKD). Additionally, previously unexplored results have been provided, such as the characterisation of the system’s dependence on the applied current and the detailed analysis of the unwrapped phase.