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激光能以每秒250萬億比特的速度生成量子隨機數,以此原理開發的設備小到可以塞進芯片里。
研究人員利用簡單的激光器建造出了至今為止最快的隨機數生成器。它利用的是光強度的波動來生成隨機性——隨機性在數據加密和科學模擬中是夢寐以求的資源——并且該技術可以生產出小到可以裝進一個計算機芯片里的設備。真隨機性其實很難獲得。傳統計算機的算法可以產生看似隨機的數字序列,但是這些數字序列慢慢就會出現某種模式,導致序列可以從某種程度上被預測,并出現解密上的漏洞。
領結形的半導體(掃描電子顯微鏡成像)可以制造出一道強度激光束,其強度隨機波動。來源:Kyungduk Kim
為了讓加密更為安全,研究人員將眼光轉向了量子力學——物理學原理能保證某些測量結果是真隨機的,例如某個放射性原子衰變的時間。引入量子隨機性的一種常見辦法是利用激光器中材料放出光子時的波動。通常的激光設備在設計時需要最小化擾動以產生光強穩定的激光:這類設備會讓光波在材料內部反彈,以迫使原子同步產生更多光子。但是要想產生隨機數的話,研究人員就要反其道而行之。“我們想要強度隨機波動,這樣就可以將光強度數字化以產生隨機數。”耶魯大學的應用物理學家曹蕙說。
精簡裝置
曹蕙的團隊將激光器的材料——一個半透明的半導體——做成了領結的形狀。光子會在領結的曲線邊緣間反彈幾次,然后變成散射狀的光線釋放出來。團隊接下來就能用一臺超快速相機捕捉光線。他們記錄了254個獨立的像素上的光輸出,這些加起來就生成了大約每秒250萬億個隨機比特,用頻率描述就是250太赫茲(terahertz)。這比此前一次只能記錄一個像素的設備要快好幾個數量級。論文于2月25日發表于《科學》上[1]。這項發明“讓隨機數生成器的表現跨越了一大步”,美國國家標準與技術研究院的物理學家Krister Shalm說。現在最快的計算機可以達到千兆赫(gigahertz)的時鐘速度,這還遠遠不足以讓曹蕙這臺設備使出全力。如果使用更簡單的光線探測器取代高速照相機,就可以讓設備變得更小。這樣,就可能最終制造出單個計算機芯片大小的設備,曹蕙說。這可能會帶來一些實際應用,例如在手機上進行加密的技術。參考文獻:1. Kim, K.et al.Science371, 948–952 (2021).原文以This is the fastest random-number generator ever built 標題發表在2021年3月2日的《自然》的新聞版塊上內容來源:微信公眾號 Nature Portfolio澳洲野貓成患,動物保護者卻建“防貓長城”把本土物種圈養成白癡
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