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而且比使用体光学器件制造的同一器件更稳定

2019-05-31 07:43

  研究人员已经证明,可以使用一个毫米见方的基于芯片的器件以千兆位/秒的速度生成基于量子的随机数。微型设备需要的功率很小,可以启用独立的随机数发生器,也可以集成到笔记本电脑和智能手机中,以提供实时加密。

  “虽然部分控制电子设备尚未集成,但我们设计的设备将所有必需的光学组件集成在一个芯片上,”英国布里斯托尔大学的第一作者Francesco Raffaelli说。“单独使用此设备或将其集成到其他便携式设备中,将来非常有用,可以使我们的信息更安全,更好地保护我们的隐私。”

  随机数生成器用于加密在数字交易期间传输的数据,例如在线购买产品或发送安全电子邮件。今天的随机数生成器基于计算机算法,如果黑客找出所使用的算法,这会使数据容易受到攻击。

  在光学学会(OSA)期刊Optics Express中,研究人员报告了一种基于二极管激光器随机发射光子的量子随机数发生器。因为光子发射本质上是随机的,所以不可能预测将产生的数字。

  “与最近展示的其他集成量子随机数发生器相比,我们可以用相对较低的光功率实现非常高的发生率,”Raffaelli说。“使用更少的功率来产生随机数有助于避免芯片上过热等问题。”

  这种新芯片是通过硅光子技术的发展实现的,硅光子技术采用与制造计算机芯片相同的半导体制造技术来制造硅中的光学元件。现在可以将波导制造成硅,其可以引导光通过芯片而不会沿途损失光能。这些波导可以集成到具有电子器件和集成检测器的芯片上,这些检测器以非常高的速度运行以将光信号转换成信息。

  新的基于芯片的随机数发生器利用了在某些条件下激光将随机发射光子的事实。该设备使用称为干涉仪的微型设备将这些光子转换为光功率。集成在同一芯片中的非常小的光电探测器然后检测光功率并将其转换成可以变成随机数的电压。

  “尽管硅光子技术有所进步,但芯片内部仍有光线损失,导致光线很少到达探测器,”Raffaelli说。“这要求我们非常精确地优化所有参数,并设计低噪声电子元件来检测芯片内部的光信号。”

  这种新的基于芯片的器件不仅具有便携性的优势,而且比使用体光学器件制造的同一器件更稳定。这是因为干涉仪对诸如温度的环境条件非常敏感,并且更容易控制小芯片的温度。使用半导体制造精确地再现数千个相同的芯片也更加容易,而利用体光学再现必要的精度更加困难。

  为了通过实验测试他们的设计,研究人员让一家代工厂制造了随机数发生器芯片。在表征光学和电子性能之后,他们将其用于随机数生成。他们估计其设备的潜在随机生成速率接近2.8千兆位/秒,这足以实现实时加密。

  “我们使用其他基于芯片的量子随机数发生器设备中大约十分之一的功率来演示随机数生成,”Raffaelli说。“我们的工作展示了这种集成平台的可行性。”

  虽然包含光学元件的芯片只有一平方毫米,但研究人员使用外部激光器来提供随机性来源,以及需要光学平台的电子和测量工具。他们现在正在努力创建一个大小与移动电话相同的便携式设备,其中包含芯片和必要的电子设备。

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