Zintegrowany układ fotoniczny, wielkości opuszka palca, zapewnia generowanie liczb losowych ponad dwukrotnie szybciej niż konwencjonalne QRNG.
Wszechobecne jak w codziennych zastosowaniach, takich jak szyfrowanie i bezpieczeństwo, losowo generowane liczby cyfrowe rzadko są naprawdę losowe.
Jak dotąd, tylko nieporęczne, stosunkowo powolne kwantowe generatory liczb losowych (QRNG) mogą osiągnąć poziom losowości równy podstawowym prawom fizyki kwantowej, ale naukowcy starają się uczynić te urządzenia szybszymi i bardziej przenośnymi.
W Applied Physics Letters, wydanym przez AIP Publishing, naukowcy z Chin prezentują najszybszy jak dotąd QRNG działający w czasie rzeczywistym, który ma sprawić, że urządzenia te będą szybsze i bardziej przenośne. Urządzenie łączy w sobie najnowocześniejszy fotoniczny układ scalony ze zoptymalizowanym postprocessingiem w czasie rzeczywistym do wydobywania losowości z kwantowego źródła entropii stanów próżni.
„Ostatnio technologia zintegrowanej fotoniki kwantowej wykazuje znaczące zalety w zakresie redukcji rozmiaru” – powiedział autor Jun Zhang. „W tej pracy dalej dowodzimy, że taka technologia może być wykorzystana do ultraszybkiego, kwantowego generowania liczb losowych w czasie rzeczywistym”.
Większość QRNG wykorzystuje dziś dyskretne komponenty fotoniczne i elektroniczne, ale integracja takich komponentów w ramach chipa pozostaje wyzwaniem technicznym.
„Kwantowe liczby losowe są nieprzewidywalne, niereprodukowalne i bezstronne, których losowość pochodzi z nieodłącznej indeterministycznej natury fizyki kwantowej,” powiedział Zhang.
Układ opracowany przez grupę wykorzystuje fotodiody indowo-germanowe i wzmacniacz transimpedancyjny zintegrowany z krzemowym układem fotonicznym, który zawiera kilka sprzęgaczy i tłumików. Połączenie tych komponentów pozwala QRNG na wykrywanie sygnałów ze źródła entropii kwantowej ze znacznie poprawioną odpowiedzią częstotliwościową.
„Zaskakującym punktem w naszej pracy jest to, że wydajność wysokiej częstotliwości odpowiedzi końcowego zintegrowanego fotonicznego chipu jest lepsza niż oczekiwano” – powiedział Zhang.
Po wykryciu sygnałów losowości, są one przetwarzane przez programowalną tablicę bramek, która wyodrębnia prawdziwie losowe liczby z surowych danych. Powstałe w ten sposób urządzenie może generować liczby z prędkością prawie 19 gigabitów na sekundę, co jest nowym rekordem świata. Liczby losowe mogą być następnie przesłane do dowolnego komputera za pomocą światłowodu.
Chip grupy mierzy zaledwie 15,6 na 18,0 milimetrów, czyli jest znacznie mniejszy niż większość obecnie stosowanych modułów i instrumentów QNRG.
Zhang i jego zespół mają nadzieję, że ich podejście pomoże utorować drogę dla QRNG jako bardziej praktycznego rozwiązania dla szybkich i kompaktowych urządzeń.
„W oparciu o naszą obecną pracę, w przyszłości opracujemy tani pojedynczy chip QRNG o umiarkowanej losowej szybkości bitowej, na poziomie megabitów na sekundę, do zastosowań komercyjnych” – powiedział Zhang. „Taki pojedynczy chip mógłby być bardzo przydatny w zróżnicowanych systemach elektronicznych wymagających losowych liczb lub sygnałów, a nawet w telefonach komórkowych w celu poprawy bezpieczeństwa”.
