Forskare har visat att en chipbaserad enhet som mäter en millimeter kvadrat kan användas för att generera kvantbaserade slumpmässiga tal med gigabit per sekund hastigheter. Den lilla enheten kräver lite ström och kan möjliggöra fristående slumptalsgeneratorer eller integreras i bärbara datorer och smarta telefoner för att erbjuda kryptering i realtid.

"Även om en del av styrelektroniken inte är integrerad ännu, enheten vi konstruerade integrerar alla nödvändiga optiska komponenter på ett chip, "sa författaren Francesco Raffaelli, University of Bristol, Storbritannien. "Att använda den här enheten själv eller integrera den i andra bärbara enheter skulle vara mycket användbart i framtiden för att göra vår information säkrare och bättre skydda vår integritet."

Slumpmässiga nummergeneratorer används för att kryptera data som överförs under digitala transaktioner som att köpa produkter online eller skicka ett säkert e-postmeddelande. Dagens slumptalsgeneratorer är baserade på datoralgoritmer, som kan lämna data sårbara om hackare räknar ut algoritmen som används.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna rapporterar en kvant slumpmässig talgenerator baserad på slumpmässigt utsända fotoner från en diodlaser. Eftersom fotonemissionen i sig är slumpmässig, det är omöjligt att förutsäga siffrorna som kommer att genereras.

"Jämfört med andra integrerade kvant slumpmässiga talgeneratorer som visats nyligen, vår kan uppnå mycket höga generationshastigheter med relativt låga optiska effekter, "sa Raffaelli." Att använda mindre ström för att producera slumpmässiga nummer hjälper till att undvika problem som överskottsvärme på chipet. "

Kisel fotonik

Det nya chipet möjliggjordes av utvecklingen inom teknik för kiselfotonik, som använder samma halvledartillverkningstekniker som används för att göra datorchips för att tillverka optiska komponenter i kisel. Det är nu möjligt att tillverka vågledare till kisel som kan leda ljus genom chipet utan att tappa ljusenergin längs vägen. Dessa vågledare kan integreras på ett chip med elektronik och integrerade detektorer som arbetar med mycket höga hastigheter för att omvandla ljussignalerna till information.

Den nya chipbaserade slumptalsgeneratorn drar fördel av det faktum att en laser under vissa förhållanden kommer att släppa ut fotoner slumpmässigt. Enheten omvandlar dessa fotoner till optisk ström med hjälp av en liten enhet som kallas en interferometer. Mycket små fotodetektorer integrerade i samma chip detekterar sedan den optiska effekten och omvandlar den till en spänning som kan omvandlas till slumptal.

"Trots framstegen inom kiselfotonik, det finns fortfarande ljus tappat inuti chipet, vilket leder till att mycket lite ljus når detektorerna, "sa Raffaelli." Detta krävde att vi optimerade alla parametrar mycket exakt och konstruerade lågbruselektronik för att detektera den optiska signalen inuti chipet. "

Den nya chipbaserade enheten ger inte bara portabilitetsfördelar utan är också mer stabil än samma enhet som tillverkas med bulkoptik. Detta beror på att interferometrar är mycket känsliga för miljöförhållanden som temperatur och det är lättare att kontrollera temperaturen på ett litet chip. Det är också mycket lättare att exakt återge tusentals identiska marker med hjälp av halvledartillverkning, medan det är svårare att återge den nödvändiga precisionen med bulkoptik.

Testar chipet

För att experimentellt testa deras design, forskarna lät ett gjuteri tillverka slumptalsgeneratorchipet. Efter att ha karakteriserat den optiska och elektroniska prestandan, de använde det för slumpgenerering. De uppskattar en potentiell slumpmässig genereringshastighet på nästan 2,8 gigabit per sekund för sin enhet, vilket skulle vara tillräckligt snabbt för att möjliggöra kryptering i realtid.

"Vi visade slumpgenerering genom att använda ungefär en tiondel av den effekt som används i andra chipbaserade kvantumslumptalsgeneratorer, "sa Raffaelli." Vårt arbete visar att denna typ av integrerad plattform är genomförbar. "

Även om chipet som innehåller de optiska komponenterna bara är en millimeter kvadrat, forskarna använde en extern laser som ger källan till slumpmässighet och elektronik och mätverktyg som krävde ett optiskt bord. De arbetar nu med att skapa en bärbar enhet ungefär lika stor som en mobiltelefon som innehåller både chip och nödvändig elektronik.