Создан самый быстрый генератор случайных чисел на основе лазера

Исследователи построили самый быстрый из когда-либо созданных генераторов случайных чисел, используя простой лазер. Он использует колебания интенсивности света для создания случайности — желанного ресурса в таких приложениях, как шифрование данных и научное моделирование — и может привести к созданию устройств, которые достаточно малы, чтобы поместиться на одном компьютерном чипе. Лазер генерирует квантовую случайность со скоростью 250 триллионов бит в секунду и может привести к созданию устройств, достаточно маленьких, чтобы поместиться на одном кристалле.

На удивление трудно найти истинную случайность. Алгоритмы в обычных компьютерах могут создавать последовательности чисел, которые сначала кажутся случайными, но со временем они имеют тенденцию отображать закономерности. Это делает их хотя бы частично предсказуемыми и, следовательно, уязвимыми для декодирования.

Чтобы сделать шифрование более безопасным, исследователи обратились к квантовой механике, где законы физики гарантируют, что результаты определенных измерений — например, при распаде радиоактивного атома — действительно случайны.

Популярный способ задействовать квантовую случайность — использовать флуктуации в том, как излучаются фотоны материалами, используемыми в лазерах. Типичные лазерные устройства предназначены для минимизации этих колебаний для получения света постоянной интенсивности: они заставляют световые волны отражаться внутри материала, заставляя его атомы излучать все больше и больше фотонов синхронно друг с другом.

Но в отношении генерации случайных чисел исследователи стремятся к противоположному. «Мы хотим, чтобы интенсивность колебалась случайным образом, чтобы мы могли оцифровать интенсивность для генерации случайных чисел», — говорит Хуэй Цао, физик-прикладник из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.

Устройство DAPPER

Цао и ее команда сделали лазерный материал — полупрозрачный полупроводник — в форме галстука-бабочки. Фотоны отскакивают между изогнутыми стенками галстука-бабочки несколько раз, прежде чем выйти в виде рассеянного луча. Затем исследователи могут запечатлеть свет с помощью сверхбыстрой камеры. Они записали световой поток 254 независимых пикселей, которые вместе давали случайные биты со скоростью около 250 терабит в секунду или 250 терагерц. Это на несколько порядков быстрее, чем у предыдущих подобных устройств, которые записывали только один пиксель за раз. Их результаты были опубликованы в Science 25 февраля.

Изобретение «представляет собой большой скачок в производительности генераторов случайных чисел», — говорит Кристер Шалм, физик из Национального института стандартов и технологий США в Боулдере, штат Колорадо.

Самые быстрые из существующих компьютеров имеют тактовую частоту, измеряемую в гигагерцах, что слишком медленно, чтобы полностью использовать всю мощность устройства Цао. Установка может быть уменьшена за счет использования более простых световых детекторов вместо высокоскоростной камеры. В конечном итоге это может привести к появлению практичных устройств, достаточно маленьких, чтобы поместиться на одном компьютерном чипе, говорит Цао. У них могут быть полезные приложения, например технология шифрования на мобильных телефонах.

Источник