研究人员用简单的激光制造出了有史以来最快的随机数发生器。它利用光强度的波动来产生随机性——在数据加密和科学模拟等应用中令人垂手可得的资源——并可能导致设备足够小,可以安装在单个计算机芯片上。

真正的随机性是难以获得的。传统计算机中的算法可以产生一开始看似随机的数字序列,但随着时间的推移,这些序列往往会显示出一定的模式。这使得它们至少是部分可预测的,因此很容易被解码。

为了使加密更加安全,研究人员转向了量子力学。在量子力学中,物理定律保证了某些测量结果——比如放射性原子衰变——是真正随机的。

利用量子随机性的一种流行方法是利用激光所用材料发射光子的波动。典型的激光设备被设计成最小化这些波动,以产生稳定强度的光:它们使光波在材料内部来回反射,迫使其原子发射出越来越多的光子,彼此同步。

但在随机数生成方面,研究人员的目标正好相反。康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的应用物理学家曹辉说:“我们希望强度随机波动,这样我们就可以将强度数字化,产生随机数。”

衣冠楚楚的设备

曹和她的团队将激光材料——半透明半导体——做成领结形状。光子在领结弯曲的墙壁之间多次反弹,然后以散射光束的形式出来。然后,研究人员可以用超高速相机捕捉到光线。他们记录了254个独立像素的光输出,这些像素以大约每秒250太比特或250太赫兹的速度产生随机比特。这比以前的设备快了几个数量级,以前的设备每次只能记录一个像素。他们的研究结果发表在科学2月25日。

位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所(US National Institute of Standards and Technology)的物理学家克里斯特•沙姆(Krister Shalm)表示,这项发明“代表着随机数生成器性能的一次重大飞跃”。

现有最快的计算机的时钟速度以千兆赫计,这太慢了,无法充分发挥曹的设备的全部能力。通过使用更简单的光探测器而不是高速摄像机,这个装置可以变得更小。曹说,这最终可以生产出小到可以安装在单个计算机芯片上的实用设备。这些技术可能会有有用的应用,比如手机上的加密技术。

这篇文章被允许转载第一次出版2021年3月2日。