研究人員已經(jīng)證明，一個(gè)毫米見(jiàn)方的基于芯片的器件可用于以千兆位/秒的速度生成基于量子的隨機(jī)數(shù)。微型設(shè)備需要的功率很小，可以啟用獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，也可以集成到筆記本電腦和智能手機(jī)中，以提供實(shí)時(shí)加密。

“雖然部分控制電子設(shè)備尚未集成，但我們?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)備在一個(gè)芯片上集成了所有必需的光學(xué)元件，”第一作者，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的Francesco Raffaelli說(shuō)。“單獨(dú)使用此設(shè)備或?qū)⑵浼傻狡渌銛y式設(shè)備中，將來(lái)非常有用，可以使我們的信息更安全，并更好地保護(hù)我們的隱私。”

隨機(jī)數(shù)生成器用于加密在數(shù)字交易期間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，例如在線購(gòu)買產(chǎn)品或發(fā)送安全電子郵件。今天的隨機(jī)數(shù)生成器基于計(jì)算機(jī)算法，如果黑客找出所使用的算法，這會(huì)使數(shù)據(jù)容易受到攻擊。

在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)期刊Optics Express中，研究人員報(bào)告了一種基于二極管激光器隨機(jī)發(fā)射光子的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。因?yàn)楣庾影l(fā)射本質(zhì)上是隨機(jī)的，所以不可能預(yù)測(cè)將產(chǎn)生的數(shù)字。

“與最近展示的其他集成量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器相比，我們可以用相對(duì)較低的光功率實(shí)現(xiàn)非常高的發(fā)生率，”Raffaelli說(shuō)。“使用更少的功率來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)有助于避免芯片上過(guò)熱等問(wèn)題。”

硅光子學(xué)

這種新芯片是由硅光子技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)使用與制造計(jì)算機(jī)芯片的相同半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)制造硅中的光學(xué)元件。現(xiàn)在可以將波導(dǎo)制造成硅，其可以引導(dǎo)光通過(guò)芯片而不會(huì)沿途損失光能。這些波導(dǎo)可以集成到具有電子器件和集成檢測(cè)器的芯片上，這些檢測(cè)器以非常高的速度運(yùn)行以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信息。

新的基于芯片的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用了在某些條件下激光將隨機(jī)發(fā)射光子的事實(shí)。該設(shè)備使用稱為干涉儀的微型設(shè)備將這些光子轉(zhuǎn)換為光功率。集成在同一芯片中的非常小的光電探測(cè)器然后檢測(cè)光功率并將其轉(zhuǎn)換成可以變成隨機(jī)數(shù)的電壓。

“盡管硅光子技術(shù)有所進(jìn)步，但芯片內(nèi)部仍有光線損失，導(dǎo)致光線很少到達(dá)探測(cè)器，”Raffaelli說(shuō)。“這要求我們非常精確地優(yōu)化所有參數(shù)，并設(shè)計(jì)低噪聲電子設(shè)備來(lái)檢測(cè)芯片內(nèi)部的光信號(hào)。”

新的基于芯片的器件不僅具有便攜性的優(yōu)勢(shì)，而且比使用體光學(xué)器件制造的同一器件更穩(wěn)定。這是因?yàn)楦缮鎯x對(duì)諸如溫度的環(huán)境條件非常敏感，并且更容易控制小芯片的溫度。使用半導(dǎo)體制造精確地再現(xiàn)數(shù)千個(gè)相同的芯片也更容易，而利用體光學(xué)再現(xiàn)必要的精度更加困難。

測(cè)試芯片

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試他們的設(shè)計(jì)，研究人員讓一家代工廠制造了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片。在表征光學(xué)和電子性能之后，他們將其用于隨機(jī)數(shù)生成。他們估計(jì)其設(shè)備的潛在隨機(jī)生成率接近2.8千兆位/秒，這足以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加密。

“我們使用其他基于芯片的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)備中大約十分之一的功率來(lái)演示隨機(jī)數(shù)生成，”Raffaelli說(shuō)。“我們的工作展示了這種集成平臺(tái)的可行性。”

雖然包含光學(xué)元件的芯片只有一平方毫米，但研究人員使用的外部激光器提供了隨機(jī)性來(lái)源，以及需要光學(xué)平臺(tái)的電子和測(cè)量工具。他們現(xiàn)在正在努力創(chuàng)建一個(gè)大小與移動(dòng)電話相同的便攜式設(shè)備，其中包含芯片和必要的電子設(shè)備。