Создан первый квантовый генератор случайных чисел на чипе - «Наука и технологии»

Используя в своих интересах миниатюрные технологии манипуляции светом на кристалле чипа, группа исследователей из Испании и Италии создала первую интегральную схему, способную генерировать поток случайных чисел при помощи совершенно непредсказуемых явлений квантовой механики. Последовательность случайных чисел является одним из ключевых компонентов некоторых современных систем шифрования, систем сложного вычислительного моделирования. В настоящее время используются два типа генераторов случайных чисел, одни из которых используют компьютерные алгоритмы, а другие - специальные аппаратные средства, аналоговые или цифровые схемы, чувствительные к некоторым параметрам окружающей среды, имеющим непредсказуемый характер поведения.

Несмотря на то, что последовательности чисел, сгенерированные современными средствами, выглядят абсолютно случайно, сложная математическая обработка этих рядов позволяет вычислить функцию корреляции, на основе значения которой можно с большим процентом вероятности предугадать значения следующих чисел в последовательности. И это, в свою очередь, оставляет "лазейку" для взлома систем, использующих такие генераторы случайных чисел.

Поведение систем, которые подчиняются законам квантовой механики, в нынешнее время предугадать не представляется возможным. "Квантовая физика по определению носит непредсказуемый характер" - рассказывает Валерио Прунери (Valerio Pruneri), ученый из Института фотонных наук (Institute of Photonic Sciences), Испания, - "Сейчас нет ни единого способа предугадать значение следующих случайных чисел, полученных квантовым генератором".

Квантовые генераторы случайных чисел существуют на свете уже достаточно давно, на рынке даже представлено несколько типов коммерческих систем. Однако, группа Валерио Прунери создала первый сверхминиатюрный квантовый генератор, чип которого можно использовать даже в конструкции смартфонов и прочих портативных электронных устройств.

Чип квантового генератора может изготавливаться при помощи существующих технологий производства полупроводниковых чипов. За хаотичность квантовой системы на этом чипе отвечает крошечный импульсный лазер из фосфида индия. При накачке ниже определенного предела этот лазер излучает лишь небольшое количество фотонов света со случайным значением их фазы за счет явления непосредственного излучения, т.е. лазер работает как обычный светодиод. Однако, при повышении уровня энергетической накачки этот лазер начинает работать как лазер и его излучение становится более упорядоченным.

Для выделения случайной составляющей, скрытой в фазе фотонов света, импульсы света смешиваются со светом второго лазера из фосфида индия. Разница в фазах смешиваемых импульсов света приводит к возникновению различий в яркости суммарных импульсов, что и регистрируется высокочувствительным фотодатчиком. Такой "квантовый источник энтропии" может использоваться для производства большого количества случайных чисел, скорость потока случайных чисел достигает гигабита в секунду.

Сейчас исследователи работают над интеграцией в чип квантового генератора элементов CMOS-логики, которые будут преобразовывать поток случайных 0 и 1 в числовые значения заданной разрядности, которыми оперирует программное обеспечение вычислительной техники.