Engineering Resilient Quantum Randomness

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 är en nödvändig resurs för många områden inom datavetenskapen och naturvetenskapen. De används för en mängd olika ändamål, såsom simuleringar, statistiska urval, spel och kryptografi. Traditionellt genereras slump i datorer ofta av pseudo-slumptalsgeneratorer (PRNG) vilka är mjukvarualgoritmer som producerar sekvenser av tal som verkar slump-mässiga men som i själva verket är deterministiska. Om tillräckligt mycket av det interna tillståndet i PRNG:n är känt kan framtida utdata förutsägas. Detta är särskilt problematiskt i kryptografiska tillämpningar, där systemets säkerhet är beroende av oförutsägbarheten hos slumpmässigt genererade lösenord och nycklar. Inom kryptografi är det också viktigt att de slumpmässiga talen är privata, vilket innebär att de inte får vara kända av en eventuell angripare. Konceptet privathet illustreras bäst av ett attackscenario där en angripare har förprogrammerat slumptalsgeneratorn att generera en (för angriparen) känd sekvens. Sekvensen kan då verka slumpmässig, även om den inte är privat, eftersom information om sekvensen finns både hos den legitima användaren och hos angriparen.

Kvantmekaniken möjliggör ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt för generering av slumpmässiga tal, eftersom det baserat på den inneboende osäkerheten i kvantmekaniska mätningar går att generera äkta slumptal. Kvantslumptalsgeneratorer (QRNG) utnyttjar den probabilistiska naturen hos kvantmekanik för att producera slumpmässiga tal som inte är förutsägbara, oavsett hur mycket vetskap man har om generatorn. De teoretiska ramverken inom kvantmekaniken ger också möjligheten att implementera moderna protokoll som kan certifiera att de genererade talen är privata, vilket säkerställer att QRNG:n är säker mot potentiella angripare.

I denna avhandling presenterar vi bidrag till området fotoniska kvantslumptalsgeneratorer, med fokus på alternativa implementeringar av measurement-device-independent-protokoll (MDI-protokoll). Dessa protokoll syftar till att eliminera potentiella sårbarheter som är förknippade med mätapparaten som används i QRNG:n. Vi visar att fiberoptiska interferometrar är en lämplig plattform för att bereda kvanttillstånd för MDI-QRNG:er, och vi demonstrerar användandet av Sagnac-interferometrar som tillståndsberedningsenheter. Vi utforskar också nya plattformar såsom perovskitlysdioder för att utföra behandling av kvantinformation.

Genom att kombinera experimentell innovation med moderna teoretiska metoder presenterar denna avhandling en serie framsteg som utmanar gränserna för kvantslumptalsgenerering. Avhandlingen visar att högkvalitativ, certifierbar och privat slump kan genereras med hjälp av tillgänglig och skalbar teknik, vilket banar väg för säker kryptografisk hårdvara som är motståndskraftig mot såväl klassiska angrepp som kvantangripare.