Analysis and FPGA-design of the Zhou-Bruck streaming algorithm for Quantum Random Number Generation

The central topic of this thesis is the design and implementation of a Quantum Random Number Generator. The device is composed by an entropy source, provided by a distribution in time of consecutive single-photon detections, and a real-time elaboration stage performed on a programmable development board which includes a Field-Programmable Gate Array (FPGA) chip. The elaboration process is based on a specific un-biasing algorithm and this thesis also focuses on a detailed analysis of its behaviour reporting tests' results and related observations. Moreover, a design of the algorithm suitable for FPGA applications is developed and tested. A description of the VHDL code built for this Quantum Random Number Generator is provided. Eventually, the validity of the scheme is confirmed by an actual measurement. The accuracy of the experimental data is verified by a comparison with the algorithm's software simulations.

La tesi si concentra sul design e sull'implementazione di un generatore quantistico di numeri casuali. Questo dispositivo è costituito da una fonte di entropia, identificata nella distribuzione temporale di ravvicinate rilevazioni di fotoni, e da un processo di elaborazione in tempo reale eseguito su una scheda programmabile FPGA (Field-Programmable Gate Array). La fase di elaborazione è costruita a partire da uno specifico algoritmo finalizzato a ridurre il bias dei numeri generati e la tesi riporta anche un'analisi dettagliata del suo funzionamento, presentando vari risultati di test e osservazioni. Inoltre, viene sviluppato e testato il design dell'algoritmo per applicazioni basate su FPGA ed è riportata la descrizione del codice VHDL sviluppato per realizzare il generatore quantistico di numeri casuali. Infine, viene condotta una misurazione reale per convalidare il modello del dispositivo e la precisione dei dati sperimentali è confermata tramite un confronto con le simulazioni software dell'algoritmo.