(주)이와이엘이 개발한 양자난수생성기(MQRNG - Micro Quantum Random Number Generator)는 방사성 원자핵의 반감기를 이용한 소형 난수생성기입니다. 이는 통계적으로 완전한 난수를 만들어 내므로 보정과정이 불필요하고, 난수의 왜곡이 전혀 없습니다. 안정성과 소형을 중요시하는 시장의 요건을 충분히 만족시키는 유일한 진정난수 생성기라고 볼 수 있습니다. 양자난수생성기는 방사성 동위원소에서 자연적으로 방출되는 α입자를 센서로 감지하여 감지된 신호를 디지털 퍼스로 전환하고, 펄스 간의 시간간격을 측정하여 난수를 생성합니다.

양자난수생성기의 원리는 다음과 같습니다.

1. 방사성 동위원소는 정해진 반감기 동안 자연붕괴 됨
2. 붕괴되는 원자핵은 항상 새로운 것으로서 중복되는 원자핵은 존재하지 않음
3. 반감기 동안 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 α입자를 방출하며 다른 원자핵으로 변화됨
4. 양자역학적 불확정성 원리에 의하여 언제 어떻게 방출될지 알 수 없으므로 완전히 무작위 함
5. α입자가 다이오드 출돌하면 공핍현상에 의하여 전하의 흐름을 생성하여 펄스가 발생 함
6. 감지된 신호를 디지털 펄스로 전환 함
7. 펄스간의 시간간격을 계측하여 난수를 생성함

또한 α입자의 강력한 에너지로 인하여 α입자와 생성되는 난수가 1:1 로 대응되므로 해외에서 개발 된 광자의 랜덤성을 이용한 양자난수생성기에서 편향성 극복(unbiasing)을 위하여 적용하는 corrector 와 XOR 알고리즘이 필요 없는 완전한 상태의 난수를 생성하게 됩니다.

MQRNG의 제조

앞서 설명한 원리를 이용하여 일본의 원자력 공학 전문가와 함께 5mm * 5mm 의 초소형 칩으로 난수 생성기 제작에 성공하였습니다. 여기에 삽입되는 방사체는 고체 형과 액체 형이 있어서 선택적으로 적용이 가능하며 액체의 경우 박막으로도 만들 수 있어서 더 작고 얇게 제작이 가능합니다. 하드웨어 기반의 진정난수를 사용하려면 장비의 크기를 감수해야 하는 한계를 극복했다고 볼 수 있습니다.

양자난수생성기의 진정난수 생성 방식

MQRNG 칩에 전원이 인가되면 발생되는 불규칙한 구형파의 rising edge 또는 falling edge 를 이벤트로 하여 CPU 클럭 카운터에 capture 되는 값을 모아 원하는 비트수 만큼의 난수를 생성하게 됩니다.