研究人員使用簡單的雷射製造了有史以來最快的隨機數發生器。它利用光強度的波動來產生隨機性——資料加密和科學模擬等應用中夢寐以求的資源——並可能催生小到足以安裝在單個計算機晶片上的裝置。
真正的隨機性出人意料地難以獲得。傳統計算機中的演算法可以生成起初看起來是隨機的數字序列，但隨著時間的推移，這些序列往往會顯示出模式。這使得它們至少在一定程度上是可預測的，因此容易被解碼。
為了使加密更安全，研究人員轉向了量子力學，物理定律保證某些測量的結果（例如放射性原子何時衰變）是真正隨機的。
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一種利用量子隨機性的流行方法是利用雷射器中使用的材料發射光子的方式的波動。典型的雷射裝置旨在最大限度地減少這些波動，以產生強度穩定的光：它們使光波在材料內部來回反射，以迫使其原子彼此同步地發射越來越多的光子。
但是對於隨機數生成，研究人員的目標恰恰相反。“我們希望強度隨機波動，這樣我們就可以將強度數字化以生成隨機數，”康涅狄格州紐黑文市耶魯大學的應用物理學家曹輝說。
精緻的裝置
曹和她的團隊將他們的雷射材料（一種半透明半導體）製成領結形狀。光子在領結的彎曲壁之間多次反射，然後作為散射光束射出。然後，研究人員可以使用超高速相機捕獲光線。他們記錄了 254 個獨立畫素的光輸出，這些畫素共同產生了大約每秒 250 太位元或 250 太赫茲的隨機位元率。這比以前的此類裝置快幾個數量級，以前的裝置一次只記錄一個畫素。他們的研究結果於 2 月 25 日發表在《科學》雜誌上。
科羅拉多州博爾德市美國國家標準與技術研究院的物理學家克里斯特·沙爾姆說，這項發明“代表了隨機數發生器效能的重大飛躍”。
最快的現有計算機的時鐘速度以千兆赫茲為單位，這太慢了，無法充分利用曹的裝置的全部功率。透過使用更簡單的光探測器而不是高速相機，可以使該裝置更小。曹說，這最終可能會產生小到足以安裝在單個計算機晶片上的實用裝置。這些裝置可能具有有用的應用，例如行動電話上的加密技術。
本文經許可轉載，並於 2021 年 3 月 2 日首次發表。