Generering af tilfældige tal ved at måle faseudsving fra en laserdiode med en silicium-on-in

Forskere har vist, at en chip-baseret enhed, der måler en millimeter kvadrat, kunne bruges til at generere kvantebaserede tilfældige tal med gigabit pr. sekund hastigheder. Den lille enhed kræver kun lidt strøm og kan aktivere selvstændige tilfældige talgeneratorer eller indbygges i bærbare computere og smartphones for at tilbyde realtidskryptering.

"Mens en del af styreelektronikken ikke er integreret endnu, den enhed, vi har designet, integrerer alle de nødvendige optiske komponenter på én chip, " sagde førsteforfatter Francesco Raffaelli, University of Bristol, Det Forenede Kongerige. "At bruge denne enhed alene eller integrere den i andre bærbare enheder ville være meget nyttig i fremtiden for at gøre vores information mere sikker og for bedre at beskytte vores privatliv."

Tilfældige talgeneratorer bruges til at kryptere data, der transmitteres under digitale transaktioner, såsom at købe produkter online eller sende en sikker e-mail. Nutidens tilfældige talgeneratorer er baseret på computeralgoritmer, som kan efterlade data sårbare, hvis hackere finder ud af den anvendte algoritme.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskerne rapporterer om en kvantetilfældig talgenerator baseret på tilfældigt udsendte fotoner fra en diodelaser. Fordi fotonemissionen i sagens natur er tilfældig, det er umuligt at forudsige de tal, der vil blive genereret.

"Sammenlignet med andre integrerede kvante-tilfældige tal-generatorer, der blev demonstreret for nylig, vores kan opnå meget høje generationshastigheder med relativt lave optiske kræfter, " sagde Raffaelli. "At bruge mindre strøm til at producere tilfældige tal hjælper med at undgå problemer såsom overskydende varme på chippen."

Silicium fotonik

Den nye chip blev aktiveret af udviklingen inden for siliciumfotonikteknologi, som bruger de samme halvlederfremstillingsteknikker, der bruges til at fremstille computerchips til at fremstille optiske komponenter i silicium. Det er nu muligt at fremstille bølgeledere til silicium, der kan lede lys gennem chippen uden at miste lysenergien undervejs. Disse bølgeledere kan integreres på en chip med elektronik og integrerede detektorer, der arbejder ved meget høje hastigheder for at konvertere lyssignalerne til information.

Den nye chip-baserede tilfældige talgenerator udnytter, at en laser under visse forhold vil udsende fotoner tilfældigt. Enheden konverterer disse fotoner til optisk strøm ved hjælp af en lille enhed kaldet et interferometer. Meget små fotodetektorer integreret i den samme chip registrerer derefter den optiske effekt og konverterer den til en spænding, der kan omdannes til tilfældige tal.

"På trods af fremskridt inden for siliciumfotonik, der er stadig lys tabt inde i chippen, hvilket fører til, at meget lidt lys når detektorerne, " sagde Raffaelli. "Dette krævede, at vi optimerede alle parametrene meget præcist og konstruerede støjsvag elektronik for at detektere det optiske signal inde i chippen."

Den nye chip-baserede enhed giver ikke kun portabilitetsfordele, men er også mere stabil end den samme enhed lavet ved hjælp af bulk-optik. Dette skyldes, at interferometre er meget følsomme over for miljøforhold såsom temperatur, og det er lettere at kontrollere temperaturen på en lille chip. Det er også langt nemmere præcist at gengive tusindvis af identiske chips ved hjælp af halvlederfabrikation, hvorimod det er vanskeligere at gengive den nødvendige præcision med bulkoptik.

Test af chippen

For eksperimentelt at teste deres design, forskerne fik et støberi til at fremstille tilfældige talgeneratorchippen. Efter at have karakteriseret den optiske og elektroniske ydeevne, de brugte det til generering af tilfældige tal. De estimerer en potentiel tilfældighedsgenereringshastighed på næsten 2,8 gigabit per sekund for deres enhed, hvilket ville være hurtigt nok til at muliggøre realtidskryptering.

"Vi demonstrerede generering af tilfældige tal ved at bruge omkring en tiendedel af den strøm, der bruges i andre chip-baserede kvante tilfældige tal generatorenheder, " sagde Raffaelli. "Vores arbejde viser gennemførligheden af ​​denne type integreret platform."

Selvom chippen, der indeholder de optiske komponenter, kun er en kvadrat millimeter, forskerne brugte en ekstern laser, som giver kilden til tilfældighed og elektronik og måleværktøjer, der krævede en optisk tabel. De arbejder nu på at skabe en bærbar enhed på størrelse med en mobiltelefon, der indeholder både chippen og den nødvendige elektronik.