index

Reference

บรรณานุกรม

[Bennett 1992]

Bennett, C. H., F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail, and J. Smolin. 1992. Experimental quantum cryptography. Cryptology 5: 3–28.

[Jennewein 2000]

Jennewein,T., U. Achleitnery, G. Weihs, H. Weinfurterz, A. Zeilinger, 2000 et al, “A Fast and Compact Quantum Random Number Generator”, Rev. Sci.Intst. 71,1675-1680, 2000.

[APD.net]

Avalanche Photo Diode (April 21 2007) Avialable URL: http://optoelectronics.perkinelmer.com/catalog/Product.aspx? ProductID=C30902S-DTC

[BEAMST.net]

Beamsplitter Cube (April 22, 2007) Avialable URL: http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1665& Visual_ID=1689

[CONLENS.net]

Convex Lens (April 22, 2007) Avialable URL: http://www.thorlabs.com//NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=112& visual_id=1998&pn=LA1422

[LENS.net]

Aspheric Lens (April 25, 2007) Avialable URL: http://www.thorlabs.com//NewGroupPage11.cfm?ObjectGroup_ID=2126& visual_id=2345&pn=C240TM-A

[NIRLD.net]

Laser Diode (April 25, 2007) Avialable URL: http://www.thorlabs.com//NewGroupPage11.cfm?ObjectGroup_ID=7& visual_id=1493&pn=HL8325G

[QRNG.net]

Quantum Random Generator (April 20, 2007) Avialable URL: http://www.idquantique.com/products/quantis.htm

[SINGSL.net]

Single Slit (April 26, 2007) Avialable URL: http://www.physics.uoguelph.ca/applets/Intro_physics/kisalev/java/ slitdiffr/index.html

[PINHOLE.net]

Pinhole (April 30, 2007) Avialable URL: http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1400& visual_id=1642&pn=P50S

[WIKILIGHT.net]

Light (May 8, 2007) Avialable URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Light

Conclusion

บทสรุปการออกแบบและสำรวจทัศนอุปกรณ์

สำหรับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม

ในการออกแบบและสำรวจทัศนอุปกรณ์สำหรับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญที่ควรจะศึกษาและทำความเข้าใจในให้เข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงพื้นฐานการทำงานและคุณสมบัติของทัศนอุปกรณ์แต่ละตัวที่จะนำมาใช้ในการจัดทำ

ดังนั้น เพื่อให้เกิดความถูกต้องและแม่นยำมากที่สุดในการเลือกใช้งานทัศนอุปกรณ์แต่ละตัว จึงควรศึกษาทำความเข้าใจเกี่ยวกับการสร้างชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม ศึกษาถึงหน้าที่ของอุปกรณ์ทั้งหมดที่คาดว่าต้องได้ใช้ รวมทั้งการออกแบบระบบ ออกแบบการจัดทำและการทดสอบในรูปแบบต่างๆ เป็นต้น

ดังนั้น เพื่อความรอบคอบจึงควรระมัดระวัง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความผิดพลาดถึงแม้จะเป็นความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยก็ตาม แล้วหลังจากการศึกษาและออกแบบระบบได้เป็นที่เรียบร้อยแล้ว จึงจะดำเนินการสั่งซื้อทัศนอุปกรณ์สำหรับจัดทำต้นแบบชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมทั้งในระดับห้องปฏิบัติการ (Lab Prototype) และจัดทำชุดต้นแบบในระดับภาคสนาม (Field Prototype) ต่อไป ในลำดับถัดไปจึงจะทำการทดลองและทดสอบในรูปแบบต่างๆตามที่ได้ออกแบบไว้เพื่อนำผลที่ได้มาปรับปรุงและแก้ไขให้ดีที่สุด

นอกจากนี้ ยังจะศึกษาถึงคุณสมบัติของอุปกรณ์อื่นๆแต่ละตัวที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมอย่างละเอียดให้มากยิ่งขึ้น เพื่อให้สามารถนำข้อมูลเหล่านี้ไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆได้มากที่สุด ดังนี้

เพื่อใช้เป็นเอกสารคู่มือประกอบการทดลองสำหรับการศึกษาเรื่องทัศนอุปกรณ์พื้นฐาน

เพื่อใช้เป็นเอกสารอ้างอิงงานต่างๆที่เกี่ยวข้องได้

เพื่อใช้เป็นเอกสารสำหรับประกอบการเรียนรู้เกี่ยวกับทัศนอุปกรณ์ในอนาคต

เพื่อให้เกิดความรู้ เกิดองค์ความรู้ เกิดการพัฒนา เกิดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆได้อย่างน่าสนใจและเกิดเป็นทักษะความเข้าใจอย่างถ่องแท้และลึกซึ้งมากยิ่งขึ้น

APD

แอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด (AVALANCHE PHOTO DIODE)

รูปที่ 12 แอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด

รุ่น C30902S-DTC

ราคา 1,033 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต PerkinElmer

คุณสมบัติพื้นฐานของ Avalanche photodiode

• สามารถตรวจจับโฟตอนเดี่ยวได้
• มีความรวดเร็วในการตรวจจับสัญญาณ
• มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางพื้นที่ในการตรวจจับโฟตอน เท่ากับ 0.5 มิลลิเมตร
• มีระบบทำความเย็นอยู่ภายในตัว Avalanche photodiode

ลักษณะการใช้งาน

การตรวจหาโฟตอนเชิงเดี่ยวจะต้องเลือกใช้อุปกรณ์ในการตรวจหาที่มีขนาดเล็กและมีความยาวคลื่นที่เหมาะสม ดังนั้นจึงเลือกอุปกรณ์ในการตรวจหาโฟตอนรุ่นนี้ เพราะความยาวคลื่นมีความเหมาะสม สามารถตรวจหาโฟตอนเดี่ยวได้ในโหมดไกเกอร์ (Geiger mode) และมีอุปกรณ์สำหรับลดอุณหภูมิให้ในตัว (บริเวณที่ใช้ตรวจหาโฟตอน) ทำให้ลดสัญญาณรบกวนอันเนื่องมาจากความร้อนได้ดีและมีสัญญาณรบกวนต่ำมาก

ConvexLens

เลนส์นูนแกมระนาบ (PLANO-CONVEX LENS)

รูปที่ 10 เลนส์นูนแกมระนาบ

รุ่น LA1400, LA1027

ราคา 21.45 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของเลนส์นูนแกมระนาบ

• วัตถุดิบที่ใช้ผลิตเป็นสาร BK7 Grade A ที่มีเปอร์เซ็นการทะลุผ่านของแสงสูง ดังรูปที่ 11
• คุณภาพพื้นผิว (Surface Quality) มีค่าการเป็นรอยและขูดขีดเท่ากับ 40/20 (Scratch/Dig)
• มีการเคลือบผิดเพื่อให้สามารถตอบสนองได้ดีที่ความยาวคลื่น 650-1050 นาโนเมตร
• ความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่าศูนย์กลาง (Diameter Tolerance) น้อยกว่าที่กำหนดไม่เกิน 0.10 มิลลิเมตร

• ระยะโฟกัส เท่ากับ 40.00 มิลลิเมตร (LA1422) และ 35.00 มิลลิเมตร (LA 1027)
• ความคลาดเคลื่อนของจุดโฟกัส (Focal Length Tolerance) เท่ากับ +/-1 เปอร์เซ็นต์
• ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (Diameter) เท่ากับ 25.4 มิลลิเมตร
• บริเวณพื้นผิวของตัวเลนส์ทั้งหมดสามารถรับแสงได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์
• ค่าดัชนีความหักเหของเลนส์ เท่ากับ 1.515

ลักษณะการใช้งาน

การปรับแนวลำแสงขนานให้รวมแสงเป็นแบบจุดที่ระยะโฟกัส

เพื่อให้ลำแสงที่ได้ตกกระทบลงบนบริเวณพื้นผิวตรวจจับอนุภาคโฟตอนเดี่ยวของแอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด ดังนั้น การเลือกใช้เลนส์นูนแกมระนาบรุ่นนี้ จึงเหมาะสำหรับการใช้งาน เพราะว่า ตอบสนองต่อความยาวคลื่นย่านที่ใช้งานและมีความยาวโฟกัสที่คลาดเคลื่อนน้อยมาก ทำให้เหมาะสมกับอุปกรณ์ที่ได้ออกแบบไว้ จึงทำให้สามารถปรับอุปกรณ์ได้ง่ายและมีขนาดเล็ก

รูปที่ 11 กราฟแสดงเปอร์เซ็นต์การทะลุผ่านของแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ

Beamsplitter

ปริซึมแยกลำแสง (MOUNTED BEAMSPLITTER)

รูปที่ 9 ปริซึมแยกลำแสง

รุ่น CM1-BS2

ราคา 270.00 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของปริซึมแยกลำแสง

• วัตถุดิบที่ใช้ผลิตเป็นสาร BK7 Grade A
• ค่าความเรียบของพื้นผิว เท่ากับ l/10
• ใช้สำหรับแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 700 ถึง 1100 นาโนเมตร
• เพื่อความสะดวกตัวครอบกระจกแยกลำแสงสามารถสวมเข้ากับชุดท่อยึดเลนส์ SM1 ได้ทุกด้าน
• ตัวครอบปริซึมแยกลำแสงทำจากอลูมิเนียมเคลือบดำทั้งหมดเพื่อป้องกันการสะท้อนแสงกลับมารบกวนภายในระบบ
• คุณภาพพื้นผิว (Surface Quality) มีค่าการเป็นรอยและขูดขีดเท่ากับ 40/20 (Scratch/Dig)
• ความเบี่ยงเบนของลำแสงในการทะลุผ่านน้อยกว่า 5 Arcmin และความเบี่ยงเบนของลำแสงในการสะท้อนเท่ากับ ± 5 Arcmin
• ผ่านมาตรฐานการทดสอบความทนทาน (Durability) แล้วเช่น MIL-M-13508C, MIL-C-675C, MIL-C-14806
• มีอัตราการส่วนในการทะลุผ่านของแสงต่อการสะท้อนของแสงเป็น 50 : 50

ลักษณะการใช้งาน

ในกระบวนการสุ่มแยกอนุภาคของโฟตอนเดี่ยวเพื่อให้เลือกแนวการสะท้อนหรือทะลุผ่านนั้นมีความจำเป็นอย่างยิ่งในสร้างชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม ดังนั้น ในการเลือกใช้ปริซึมแยกลำแสง จึงควรเลือกปริซึมที่มีอัตราส่วนในการทะลุผ่านของแสงต่อการสะท้อนของแสง ที่เท่ากับ 50:50 เพื่อให้ทั้งสองทางมีความเป็นไปได้ที่จะมีโฟตอนเดี่ยว และนอกจากนี้ ปริซึมที่ดีควรมีคุณภาพผิวที่ดีด้วย ความเบี่ยงเบนของลำแสงหลังจากผ่านปริซึมต้องมีความคลาดเคลื่อนน้อย อีกทั้งความทนทานต่อพลังงานจากแสงเลเซอร์ควรทนได้นาน โดยเฉพาะปริซึมแยกลำแสงรุ่นนี้ยังมีคุณสมบัติพิเศษอีกอย่างคือมีตัวครอบและยึดมาพร้อมกับปริซึมแล้ว ทำให้การใช้งานสะดวกยิ่งขึ้น

NDFilter

ตัวกรองแสงชนิดดูดกลืน (ABSORPTIVE NEUTRAL DENSITY FILTER)

รูปที่ 7 ตัวกรองแสงชนิดดูดกลืน

รุ่น NE30A NE40A NE50A

ราคา 52.00 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของแผ่นกรองแสงชนิดดูดกลืน

• มีการดูดกลืนแสงโดยใช้การสะท้อนหลายครั้งภายในกระจก
• ความคลาดเคลื่อนของค่าความเข้มแสง (Optical Density) อยู่ที่ ±5 เปอร์เซ็นต์ (ทดสอบที่ความยาวคลื่น 546 นาโนเมตร)
• มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับ 25.0 มิลลิเมตรไม่เกิน +0.0 มิลลิเมตรและไม่ต่ำกว่า -0.25 มิลลิเมตร
• ตัวกรองแสงทั้งหมดสามารถรับแสงได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์
• ความเรียบของพื้นผิว (Surface Flatness) มากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับ l
• คุณภาพพื้นผิว (Surface Quality) มีค่าการเป็นรอยและขูดขีดเท่ากับ 60/40 (Scratch/Dig)
• ความขนานของผิวทั้ง 2 ด้าน (Parallelism) เท่ากับ 10 Arcsec

ลักษณะการใช้งาน
นอกจากการใช้ พินโฮล (Pinhole)ช่วยลดทอนความเข้มแสงแล้ว การลดทอนความเข้มแสงยังสามารถทำได้วิธีหนึ่ง คือการใช้แผ่นกรองแสงช่วย เพื่อลดทอนความเข้มแสงให้ได้มากที่สุด ในการทดลอง ดังนั้นจึงเลือกใช้แผ่นกรองแสงชนิดดูดกลืนแสงหลายๆรุ่น เพื่อเป็นการทดสอบว่าตัวกรองแสงแบบไหนจะมีความเหมาะสมที่สุด

ข้อดีของแผ่นกรองแสงชนิดดูดกลืนแสงนั่นคือทำให้มีแสงที่สะท้อนกลับออกมารบกวนระบบน้อยที่สุดและสามารถใช้งานได้ในความยาวคลื่นย่านที่ใช้งานโดยสามารถดูได้จากกราฟ ดังรูป

รูปที่ 8 กราฟแสดงการทะลุผ่านของแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆหลังผ่านตัวกรองแสง

Pinhole

พินโฮล (PINHOLE)

รูปที่ 6 พินโฮล

รุ่น P50S, P100S, P150S

ราคา 57.00 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของพินโฮล

• ขนาดของรูรับแสงเท่ากับ 50 ไมโครเมตร (รุ่น P50S) 100 ไมโครเมตร (รุ่น P100S) และ 150 ไมโครเมตร (รุ่น P150S)
• ค่าความสูญเสียของพินโฮล เริ่มที่ 5 x 10⁴ W/mm², ที่ความถี่พัลส์ 75 ns และ 1 x 10⁵ W/mm², ที่ความถี่พัลส์ 75 ns ที่ความยาวคลื่นทดสอบ 700 nm
• ค่าความสูญเสียของพินโฮล เริ่มที่ 1 x 10³ W/mm², ที่มีความถี่แบบต่อเนื่อง ที่ความยาวคลื่นทดสอบ 10.6µm
• สามารถนำมาสวมเข้ากับชุดท่อยึดเลนส์ SM1 ได้ง่าย

ลักษณะการใช้งาน

การลดทอนความเข้มแสงเพื่อให้ได้ค่าความเข้มแสงที่เหมาะสมและมีค่าความรบกวนน้อย จึงต้องใช้อุปกรณ์ที่มีรูรับแสงที่เล็กมากๆ ดังนั้นจึงเลือกใช้ Pinhole ทั้งสามรุ่นนี้ เพราะรูรับแสงมีขนาดเล็กและนอกจากนี้ยังมีความทนทานต่อแสงเลเซอร์มาก จึงทำให้ Pinhole เสียหายได้ยาก

AsphericLens

เลนส์นูนแกมระนาบ (ทรงกระบอก) (MOUNTED ASPHERIC LENS)รูปที่ 5 เลนส์นูนแกมระนาบ (ทรงกระบอก)

รุ่น C240TM-B

ราคา 116.00 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของเลนส์นูนแกมระนาบ

• สามารถรวมลำแสงและปรับให้เป็นลำแสงขนานได้ดี
• มีประสิทธิภาพสูงในการจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง
  
• คุณภาพพื้นผิว (Surface Quality) มีค่าการเป็นรอยและขูดขีดเท่ากับ 40/20 (Scratch/Dig)
• ที่ตัวเลนส์มีสารเคลือบพิเศษทำให้สามารถทำงานได้ดีที่ความยาวคลื่นเฉพาะ
• มีอุปกรณ์ฝาครอบเลนส์ทีสามารถประกอบเข้ากับชุด SM1 ได้
• เหมาะสำหรับความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร
• มีระยะโฟกัสที่ 8 มิลลิเมตร
• สามารถรับแสงได้ดีทั้งตัวเลนส์
• มีความหนาที่วัดจากศูนย์กลาง 3.69 มิลลิเมตร

ลักษณะการใช้งาน

เลนส์นูนแกมระนาบ รุ่น C240TM-B มีความเหมาะสมในการจัดชุดอุปกรณ์ในการรวมแสงจากไดโอดเลเซอร์ให้ออกไปเป็นลำแสงขนานมาก เนื่องจากว่าเป็นเลนส์ที่มีระยะโฟกัสสั้นและยังมีระยะโฟกัสที่แม่นยำสูงมาก นอกจากนี้ตัวเลนส์ก็ยังเล็กมากและมีฝาครอบเลนส์มาด้วยเพื่อให้สามารถสวมกับท่อยึดเลนส์ ที่สวมไดโอดเลเซอร์ไว้ ทำให้การปรับหาระยะศูนย์กลางของไดโอดเลเซอร์ง่ายยิ่งขึ้น

LaserDiode

ไดโอดเลเซอร์ (LASER DIODE)

รูปที่ 4 ไดโอดเลเซอร์

รุ่น HL8325G

ราคา 180.49 ดอลล่าร์

สำรวจเมื่อ 4 กรกฎาคม 2550

บริษัทผู้ผลิต Thorlabs

คุณสมบัติพื้นฐานของไดโอดเลเซอร์

• ความยาวคลื่น 820-840 นาโนเมตร
• เส้นผ่าศูนย์กลาง 9 มิลลิเมตร
• กำลังขับต่ำสุดที่ 40 มิลลิวัตต์
• กระแสขีดเริ่มต่ำสุดที่ 40 มิลลิแอมป์
• สามารถขับกระแสได้สูงที่สุด 70 มิลลิแอมป์
• ให้พลังงานแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องและพัลล์ได้
• มุมในการบานออกของลำแสงประมาณ 7-14 องศา
• สามารถใช้งานร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ง่าย

ลักษณะการใช้งาน

ไดโอดเลเซอร์ชนิด GaAlAs ใช้สำหรับเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบพัลส์ที่มีความยาวคลื่น 820 -840 นาโนเมตร ในขณะใช้งานเพื่อป้องกันไม่ให้ไดโอดเลเซอร์มีอุณหภูมิสูงเกินไป จึงควรเลือกใช้ไดโอดเลเซอร์รุ่นที่มีกำลังต่ำ เนื่องจากในการทดลองชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมจะต้องใช้โอดเลเซอร์เป็นระยะเวลานาน นอกจากนี้แสงเลเซอร์ที่ใช้ควรเป็นแสงที่มีความเข้มต่ำเพราะจะต้องลดทอนความเข้มแสงให้ได้มากที่สุดจนมีโอกาสเกิดโฟตอนเดี่ยว

QRNG Hardware

รายการอุปกรณ์สำหรับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม

7.1 ไดโอดเลเซอร์ (Laser Diode) รุ่น HL8325G จำนวน 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่ เป็นแหล่งกำเนิดแสง

7.2 เลนส์นูนแกมระนาบ (ทรงกระบอก) (Mounted aspheric lens) รุ่น C240TM-B จำนวน 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่ปรับแนวลำแสงจากเลเซอร์ไดโอดที่มีลักษณะบานออกให้รวมเป็นลำแสงขนาน

7.3 พินโฮล (Mounted Pinhole) รุ่น P50S P100S และ P150S อย่างละ 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่ลดทอนความเข้มแสงและกรองแสงบางส่วนออกไป

7.4 ตัวกรองแสงชนิดดูดกลืน (Mounted Absorptive Neutral Density Filter) รุ่น NE30A NE40A และ NE50A อย่างละ 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่เป็นลดทอนความเข้มแสงจากที่เหลือจากพินโฮล จนมีโอกาสเกิดเป็นโฟตอนเดี่ยว

7.5 ปริซึมแยกลำแสง (Mounted Beamsplitter) รุ่น CM1-BS2 จำนวน 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่เป็นชุดสุ่มแยกโฟตอนเดี่ยวออกไปเส้นทางใดเส้นทางหนึ่งเท่านั้น จากสองเส้นทางเป็นอย่างละครึ่งหนึ่ง (แนวการทะลุผ่านและแนวการสะท้อน)

7.6 เลนส์นูนแกมระนาบ (Plano-Convex lens) รุ่น LA1422 และ LA1027 อย่างละ 1 ตัว ใช้ทำหน้าที่ปรับแนวของโฟตอนเดี่ยวให้มีระยะโฟกัสตกกระทบลงบนตำแหน่ง ที่ใช้ตรวจจับโฟตอนของแอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด

7.7 แอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด (Avalanche Photo Diode) รุ่น C2304D-TC จำนวน 2 ตัว ใช้ทำหน้าที่ตรวจจับการตกกระทบของโฟตอนเดี่ยว

Single Photon Detector Module

การออกแบบชุดตรวจจับโฟตอนเดี่ยว

จากรูปที่ 2 เมื่อโฟตอนเดี่ยวเคลื่อนที่แบบสุ่มในการทะลุผ่านหรือสะท้อน และผ่านเลนส์นูนแกมระนาบ เพื่อรวมลำแสง (โฟตอนเดี่ยว) ที่ทะลุผ่านหรือสะท้อนให้ตกกระทบบนจุดรับแสงของแอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด

สิ่งสำคัญในการจัดทัศนอุปกรณ์ระหว่าง ชุดสุ่มแยกโฟตอนเดี่ยวและชุดตรวจจับโฟตอนเดี่ยวนี้ จะขึ้นอยู่ที่การปรับระยะโฟกัสของเลนส์นูนแกมระนาบให้โฟตอนเดี่ยวสามารถตกกระทบลงบนบริเวณพื้นผิวจุดรับแสงของอะวัลลันซ์โฟโตไดโอดให้ได้แม่นยำมากที่สุด ผลที่ได้จึงจะเป็นค่าที่สมบูรณ์ที่สุดด้วย


จากนั้น สัญญาณที่ได้จากการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวของอะวัลลันซ์โฟโตไดโอดแต่ละครั้ง จะถูกส่งเข้าสู่คอมพิวเตอร์ เพื่อตรวจสอบว่าสัญญาณที่ได้มาจากแอวัลแลนซ์โฟโตไดโอดตัวใดจากทั้งหมดสองตัว โดยกำหนดให้ตัวหนึ่งเป็นบิต "0" และอีกตัวหนึ่งเป็นบิต "1"แล้วเก็บเป็นข้อมูลต่อไป


ดังนั้น เมื่อได้ข้อมูลแต่ละครั้งจากอะวัลลันซ์โฟโตไดโอดแล้ว คอมพิวเตอร์จะนำข้อมูลที่ได้มาเปรียบเทียบกับสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ ในชุดขับไดโอดเลเซอร์ ว่ามีฐานเวลาที่ตรงกันหรือไม่


ถ้าฐานเวลาที่ได้ไม่ตรงกันกับข้อมูลสัญญาณที่ตรวจวัดได้ แสดงว่าไม่ใช่ข้อมูลที่ทำการส่งมาหรืออาจจะมีความผิดพลาดระหว่างการส่ง หรือเกิดจากการรบกวนจากภายในหรือภายนอกก็ได้


จึงจะต้องตัดข้อมูลส่วนนั้นทิ้งไป และบันทึกเฉพาะข้อมูลที่มีฐานเวลาตรงกันเท่านั้น เพื่อให้ข้อมูลที่ได้เป็นการสุ่มอย่างแท้จริง (True Random) ก่อนที่จะนำไปใช้งานจริงในรูปแบบต่างๆต่อไป

Splitting Random Module

การออกแบบชุดสุ่มแยกโฟตอนเดี่ยว

หลังจากได้โฟตอนเดี่ยวมาแล้ว ก็จะเข้าสู่ชุดสุ่มแยกโฟตอนเดี่ยว ซึ่งจะมีทัศนอุปกรณ์ที่สำคัญในการทำหน้าที่สุ่มแยกแนวทางเดินของโฟตอนเดี่ยว นั่นคือ ปริซึมแยกลำแสง (Beamsplitter: BS) ดังรูปที่ 2

โดยความน่าจะเป็นในการสุ่มเลือกทางใดทางหนึ่งของทั้งสองแนวทาง ได้แก่ ความน่าจะเป็นในการเลือกผ่านแนวการสะท้อนและความน่าจะเป็นในการเลือกแนวการทะลุผ่านเป็นทางใดทางหนึ่ง ในแต่ละครั้งของโฟตอนเดี่ยวแต่ละโฟตอน (หนึ่งโฟตอนต่อแนวทางเดินสองแนวทาง ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่จะไปทางใดทางหนึ่งเป็น)

หลังจากที่โฟตอนเดี่ยวสุ่มเลือกทางเดินมาแล้ว จะผ่านเลนส์นูนแกมระนาบอีกครั้ง เพื่อควบคุมทางเดินลำแสงและรวมลำแสงที่ได้ให้เป็นจุดจนตกกระทบลงบนบริเวณพื้นผิวจุดรับแสงของแอวัลแลนซ์โฟโตไดโอด (Avalanche Photo Diode : APD) ที่อยู่ในชุดตรวจจับโฟตอนเดี่ยวต่อไป

Single Photon Source Module

การออกแบบชุดกำเนิดโฟตอนเดี่ยว

จากรูปที่ 2 สำหรับชุดกำเนิดโฟตอนเดี่ยว จะใช้ทัศนอุปกรณ์หลักทั้งหมดสามตัวด้วยกันได้แก่ เลนส์นูนแกมระนาบ (Convex lens) พินโฮล (Pinhole) และตัวกรองแสงชนิดดูดกลืนความเข้มแสง (Absorptive Neutral Density Filter)

หลังจากชุดวงจรขับไดโอดเลเซอร์ได้ขับไดโอดเลเซอร์ให้เปล่งแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มต่ำออกมาแล้ว โดยแสงเลเซอร์ที่ได้มาจะยังคงมีการกระจายของแสงอยู่ทำให้ลำแสงที่ออกมามีลักษณะดังเส้นสีแดง (แทนด้วยลักษณะของลำแสงเลเซอร์) พบว่าลำแสงที่ออกมามีลักษณะของลำแสงที่บานออก

จึงต้องใช้เลนส์นูนแกมระนาบในการรวมลำแสงที่ออกมาให้กลายเป็นลำแสงแบบขนานก่อน สิ่งสำคัญจะอยู่ที่การปรับระยะโฟกัสของเลนส์นูนแกมระนาบให้อยู่ ณ บริเวณพื้นผิวหน้าของไดโอดเลเซอร์ที่เริ่มขับแสงเลเซอร์ออกมา เพราะจะทำให้ลำแสงที่ได้ออกมามีลักษณะขนานได้อย่างสมบูรณ์ที่สุด

จากนั้นจึงนำ พินโฮลที่มีรูขนาดเล็กมากๆ มาทำหน้าที่ลดทอนความเข้มแสงบริเวณขอบลำแสงออกไปเนื่องจากบริเวณดังกล่าวอาจจะมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นได้และบริเวณที่มีความเข้มแสงมากที่สุดจะอยู่ที่บริเวณศูนย์กลางลำแสง ทั้งนี้สามารถอธิบายได้จากการทดสอบทางแสงเรื่องช่องเปิดเดี่ยว (Single-Slit Diffraction)

จากนั้นแสงที่ถูกลดทอนจาก พินโฮลแล้ว จะถูกกรองอีกครั้งหนึ่งโดยใช้ตัวกรองแสงที่มีความสามารถในการกรองสูงและเป็นแบบชนิดดูดกลืนเพราะตัวกรองแสงชนิดสะท้อนแสงอาจจะทำให้แสงที่สะท้อนออกไปอาจจะเกิดการสะท้อนกลับมารบกวนในระบบได้ หลังจากแสงเลเซอร์ความเข้มต่ำ ผ่านเลนส์นูนแกมระนาบ ผ่านพินโฮล และผ่านตัวกรองแสงแล้ว

แสงเลเซอร์ที่ได้ จะถูกลดทอนความเข้มแสงจนกลายเป็นแสงที่มีความเข้มต่ำมากหรือเหลือเป็นโฟตอนเดี่ยว (Single Photon) ในกรณีนี้ แสงแสดงการประพฤติตัวเป็นอนุภาค โดยสามารถอธิบายได้จากการทดลองที่เกี่ยวข้อง เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric Effect) การแผ่รังสีของวัตถุดำ (Black-Body Radiation)

Laser Driver Module

การออกแบบชุดขับไดโอดเลเซอร์

หน่วยขับแสงเลเซอร์ (Laser Driver) ถือได้ว่าเป็นอีกอุปกรณ์หนึ่งที่ใช้สำหรับงานวิจัยระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม มีหน้าที่ขับไดโอดเลเซอร์ให้กำเนิดแสงเลเซอร์ออกมา แล้วนำแสงเลเซอร์ที่ได้มาใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับงานวิจัยต่างๆ ที่ใช้แสงเป็นแหล่งกำเนิด

รวมทั้ง สำหรับชุดกระจายคีย์ทางควอนตัมและชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมด้วย หน่วยขับแสงเลเซอร์ มีองค์ประกอบที่สำคัญที่สุด ได้แก่ วงจรกำเนิดความถี่ วงจรขับไดโอดเลเซอร์ วงจรมอดูเลตและไดโอดเลเซอร์

หลักการทำงานของหน่วยขับแสงเลเซอร์จะเริ่มจากวงจรกำเนิดความถี่ ทำหน้าที่กำเนิดสัญญาณความถี่แบบพัลส์แคบออกมาและส่งไปยังวงจรมอดูเลต ในขณะเดียวกันวงจรขับไดโอดเลเซอร์ก็จะทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้า และส่งกระแสไฟฟ้าที่มีความเสถียรสูงมายังวงจรมอดูเลตเช่นกัน

จากนั้นวงจรมอดูเลตจะทำหน้าที่รวมสัญญาณความถี่ที่ได้เข้ากับกระแสไฟฟ้า เพื่อขับสัญญาณที่ได้ออกมาทำให้ไดโอดเลเซอร์ (Laser Diode) ที่ต่อไว้ทำงานและเปล่งแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มต่ำออกมาในที่สุด ดังรูปที่ 3

แล้วจึงนำแสงเลเซอร์ที่ได้ไปใช้งานในการสร้างชุดกำเนิดโฟตอนเดี่ยว และประยุกต์ใช้งานในการสร้างชุดกระจายคีย์ทางควอนตัม (Quantum Key Distributions : QKD) ได้

รูปที่ 3 ระบบวงจรชุดขับไดโอดเลเซอร์

QRNG&QC

ชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมกับระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม

รูปที่ 1 ชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมกับระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม

การสร้างชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม ซึ่งจำนวนสุ่มที่ได้จะใช้เป็นข้อมูล เพื่อใช้สำหรับเป็นกุญแจลับในชุดระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม ดังรูปที่ 1 และนอกจากนี้ยังสามารถประยุกต์ใช้งานในด้านอื่นๆได้อีก เช่น


การกำเนิดจำนวนสุ่มสำหรับแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ (Simulation) การทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ต่างๆ การใช้ในการสร้างจำนวนสุ่มเพื่อทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในทุกๆเงื่อนไข ก่อนนำมาใช้งานจริง เป็นต้น


ระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม ประกอบด้วยภาคส่งและภาครับ โดยช่องทางสำหรับรับส่งข้อมูลจะมีสองช่องทางด้วยกันคือช่องทางสาธารณะ (Public Channel) และช่องทางควอนตัม (Quantum Channel)


โดยช่องทางสาธารณะ ใช้สำหรับรับส่งข้อมูลทั่วไปที่ไม่เป็นความลับ
ส่วนช่องทางควอนตัมใช้สำหรับรับส่งข้อมูลที่เป็นความลับหรือคีย์ (Key) เพื่อรักษาความปลอดภัยของคีย์ที่จะนำไปใช้ถอดรหัสข้อมูล (Decryption) ที่ได้รับจากผู้ส่ง


ดังนั้นการออกแบบระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม สำหรับการสร้างคีย์ลับ จึงต้องอาศัยชุดอุปกรณ์ที่เรียกว่า ชุดกำเนิดคีย์แบบสุ่มเชิงควอนตัม (Quantum Random Generator) หรือ เรียกว่า ชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม (Quantum Random Number Generator : QRNG)

รูปที่ 2 ระบบสำหรับชุดกำเนิดความเป็นกลางทางควอนตัม

QRNG Objects

วัตถุประสงค์

1.1 เพื่อจัดทำชุดต้นแบบกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
1.2 เพื่อออกแบบระบบของชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
1.3 เพื่ออธิบายลักษณะและความสำคัญของการจัดวางอุปกรณ์
1.4 เพื่อให้เกิดความเข้าใจในหลักการทำงานพื้นฐานของอุปกรณ์
1.5 เพื่อจัดหาอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับสร้างชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
1.6 เพื่อเป็นเอกสารประกอบการศึกษาเพิ่มเติมและเอกสารอ้างอิงเกี่ยวกับทัศนอุปกรณ์

ขั้นตอนการทำงาน

2.1 ศึกษาและรวบรวมความรู้ที่เกี่ยวกับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
2.2 ศึกษารายละเอียดการทำงานและหน้าที่ของอุปกรณ์ที่ใช้
2.3 ออกแบบระบบและการจัดวางอุปกรณ์สำหรับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
2.4 สำรวจ จัดหาอุปกรณ์และสรุปรายการอุปกรณ์ที่ต้องใช้ในการจัดทำ
2.5 สรุปคุณสมบัติพื้นฐานและลักษณะการใช้งานของอุปกรณ์ที่ต้องใช้
2.6 ติดต่อขอใบเสนอราคาและสั่งซื้ออุปกรณ์
2.7 ดำเนินการทดลองจัดทำและจัดวางอุปกรณ์ตามที่ได้ออกแบบไว้แต่ละส่วน
2.8 ติดตั้งและทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมทุกส่วน
2.9 จัดทำชุดต้นแบบชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม
2.10 จัดทำคู่มือประกอบความรู้ เอกสารอ้างอิง เอกสารเผยแพร่

ผลที่ได้รับจากการทำงาน

ได้ชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมทั้งต้นแบบห้องปฏิบัติการ (Laboratory Prototype) และต้นแบบภาคสนาม (Field Prototype) สำหรับระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม เพื่อใช้กำเนิดจำนวนสุ่มที่เป็นการสุ่มอย่างแท้จริง และนำไปใช้เป็นกุญแจลับ ในการเข้าและถอดรหัสข้อมูลได้

Abstract QRNG

บทคัดย่อ

การออกแบบและสำรวจทัศนอุปกรณ์สำหรับชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม เป็นอีกอุปกรณ์ชุดหนึ่งที่จะนำมาใช้กำเนิดจำนวนสุ่ม (Random Number Generator) ที่เป็นกระบวนการสุ่มอย่างแท้จริง (True Random) เพื่อนำมาใช้เป็นคีย์หรือกุญแจลับ (Key) ในการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูล สำหรับโครงการวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม

ชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัมนี้ เป็นการทดลองสร้างหรือกำเนิดจำนวนสุ่ม โดยใช้สถานะโพลาไรซ์เซชั้นของโฟตอนเดี่ยว (Single Photon) เป็นเทคนิคในการกำเนิดจำนวนสุ่ม

ซึ่งจะสามารถยืนยันได้ว่าการสุ่มอย่างแท้จริง ด้วยกฎและทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ ที่เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg Uncertainty Principle)

ดังนั้น ในการออกแบบระบบและการจัดวางชุดอุปกรณ์ต่างๆ ของชุดระบบกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม โดยใช้ทัศนอุปกรณ์ทั้งหมดในการจัดทำ จึงแบ่งออกเป็นสี่ส่วนด้วยกัน ดังนี้

ส่วนที่หนึ่ง การออกแบบชุดขับไดโอดเลเซอร์ ในส่วนนี้จะทำหน้าที่ขับไดโอดเลเซอร์ให้กำเนิดแสงเลเซอร์แล้วส่งแสงเลเซอร์ที่ได้ไปยังส่วนที่สอง

ซึ่งส่วนที่สองนี้เรียกว่า การออกแบบชุดกำเนิดแสงความเข้มต่ำหรือชุดกำเนิดโฟตอนเดี่ยว โดยชุดนี้จะมีหน้าที่ควบคุมสำแสงให้เป็นแสงขนานและ ลดทอนความเข้มแสงให้มีความเข้มต่ำมากจนถึงระดับโฟตอนเดี่ยว

ส่วนที่สาม การออกแบบชุดสุ่มแยกโฟตอนเดี่ยว ชุดที่สามนี้มีหน้าที่สุ่มโฟตอนเดี่ยวที่ได้ให้แยกออกไปทางใดทางหนึ่งโดยมีความเป็นไปได้ในการสุ่มแยกเท่ากับครึ่งหนึ่งของแต่ละเส้นทาง โดยวัดค่าที่ได้จากสถานะโพราไรซ์เซชั้นของโฟตอนเดี่ยว ซึ่งถือเป็น กระบวนการหนึ่งที่มีความสำคัญมากในการสร้างจำนวนสุ่มเพราะเส้นทางใดของทั้งสองเส้นทางนี้

และส่วนที่สี่เป็นการออกแบบชุดตรวจจับโฟตอนเดี่ยว สำหรับชุดตรวจจับนี้จะมีสองชุดด้วยกันที่คอยทำหน้าที่ ตรวจจับวัดค่าสถานะโพลาไรซ์ของโฟตอนเดี่ยวที่มาตกกระทบในแต่ละครั้ง

และนำค่าของการตกกระทบในแต่ละคาบเวลานี้มาใช้เป็นคีย์หรือกุญแจลับ ที่ได้จากการสุ่มจากส่วนที่สองของชุดกำเนิดค่าความเป็นกลางทางควอนตัม และนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการเข้าและถอดรหัสข้อมูล สำหรับระบบวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัมต่อไป