Så genomgripande som de är i vardagsbruk, som kryptering och säkerhet, slumpmässigt genererade digitala nummer är sällan riktigt slumpmässiga.

Än så länge, bara skrymmande, relativt långsamma kvantslumptalsgeneratorer (QRNG) kan uppnå nivåer av slumpmässighet i nivå med kvantfysikens grundläggande lagar, men forskare vill göra dessa enheter snabbare och mer bärbara.

I Bokstäver i tillämpad fysik , forskare från Kina presenterar den snabbaste realtids QRNG hittills för att göra enheterna snabbare och mer bärbara. Enheten kombinerar ett toppmodernt fotoniskt integrerat chip med optimerad efterbearbetning i realtid för att extrahera slumpmässighet från kvantentropikällan för vakuumtillstånd.

"Nyligen, Tekniken för integrerad kvantfotonik har uppvisat betydande fördelar när det gäller storleksminskning, " sa författaren Jun Zhang. "I detta verk, vi bevisar vidare att sådan teknik kan användas för ultrasnabb, generering av kvantslumptal i realtid."

De flesta QRNG använder idag diskreta fotoniska och elektroniska komponenter, men att integrera sådana komponenter i ett chip är fortfarande en teknisk utmaning.

"Quantum slumptal är oförutsägbara, oreproducerbar och opartisk, vars slumpmässighet kommer från kvantfysikens indeterministiska natur, " sa Zhang.

Gruppens chip använder indium-germanium-arsenidfotodioder och en transimpedansförstärkare integrerad på ett kiselfotonikchip som inkluderar flera kopplare och dämpare. Genom att kombinera dessa komponenter kan QRNG detektera signaler från en kvantentropikälla med avsevärt förbättrad frekvensrespons.

"Den överraskande punkten i vårt arbete är att högfrekvensresponsen hos det slutliga fotoniska integrerade chippet är bättre än förväntat, " sa Zhang.

När väl slumpmässiga signaler detekteras, de bearbetas av en fältprogrammerbar gate-array, som extraherar verkligt slumpmässiga siffror från rådata. Den resulterande enheten kan generera siffror med nästan 19 gigabit per sekund, vilket är nytt världsrekord. Slumptalen kan sedan skickas till vilken dator som helst via en fiberoptisk kabel.

För att starta, gruppens chip mäter endast 15,6 gånger 18,0 millimeter, betydligt mindre än de flesta nuvarande QNRG-moduler eller instrument.

Zhang och gruppen hoppas att deras tillvägagångssätt hjälper till att bana väg för QRNGs att bli en mer praktisk lösning för snabba och kompakta enheter.

"Baserat på vårt nuvarande arbete, i framtiden, vi kommer att utveckla ett enkelt chip av QRNG till låg kostnad med måttlig slumpmässig bithastighet, på nivån megabit per sekund, för kommersiellt bruk, "Zhang sa. "Ett sådant enda chip kan vara mycket användbart i olika elektroniska system som kräver slumpmässiga nummer eller signaler och till och med i mobiltelefoner för att förbättra säkerheten."