Исследователи разработали чип на основе генератора квантовых случайных чисел, который обеспечивает высокоскоростную и качественную работу на миниатюрной платформе. Это достижение может приблизить использование генераторов квантовых случайных чисел в повседневных устройствах, где они могут повысить безопасность без ущерба для скорости.
Истинная случайность необходима для безопасного онлайн-банкинга, личных сообщений и защиты конфиденциальных данных от хакеров. Растущая потребность в усилении цифровой защиты стимулирует спрос на высококачественные случайные числа, генерируемые с высокой скоростью.
«Квантовые свойства света позволяют создавать по-настоящему случайные числа, в отличие от чисел, генерируемых компьютерными алгоритмами, которые лишь имитируют случайность», — сказал руководитель исследовательской группы Раймонд Смит из Кембриджской исследовательской лаборатории Toshiba в Великобритании. «Однако для практического применения этой технологии в реальных условиях требуется, чтобы оптические компоненты, создающие квантовые эффекты, были как можно меньше, чтобы они могли поместиться внутри других систем».
В журнале Optica Quantum исследователи описывают новую конструкцию генератора квантовых случайных чисел, которая может восстанавливать квантовый сигнал, даже когда он скрыт в шуме, что было сложной задачей для интегрированных в чип устройств. Новое устройство может генерировать непредсказуемые случайные числа со скоростью 3 гигабита в секунду, что достаточно для обеспечения безопасности крупных дата-центров.
«Одним из основных применений генераторов случайных чисел является защита конфиденциальных данных и коммуникаций с помощью ключей шифрования», — сказал Смит. «Наша технология может генерировать эти ключи на высокой скорости и с надёжными гарантиями безопасности. Высокоскоростные случайные числа также важны для научного моделирования, искусственного интеллекта и обеспечения честности в таких приложениях, как онлайн-игры или цифровые лотереи».
Интегрированная фотоника, использующая крошечные оптические схемы на чипе для генерации, направления и управления светом, позволяет уменьшить сложные оптические установки до нескольких миллиметров. Однако эти небольшие системы более чувствительны к внешним возмущениям, таким как электронный шум, который может ухудшить качество квантовых случайных чисел. Поэтому для восстановления истинной квантовой случайности обычно требуются сложные процедуры фильтрации для очистки чисел, но эти дополнительные шаги значительно снижают скорость генерации.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи разработали генератор квантовых случайных чисел, который усиливает слабые сигналы с помощью оптического усилителя и использует второй фотодиод для подавления перекрёстных помех и любого другого оптического или электрического шума.
«Благодаря встроенным функциям подавления шума фотонная интегральная схема с самого начала выдаёт гораздо более чистый сигнал, поэтому она гораздо меньше зависит от тяжёлой постобработки», — сказал Смит. «Это означает, что мы можем сохранить преимущества миниатюрной платформы и при этом генерировать по-настоящему случайные числа на высокой скорости».
Для тестирования новой конструкции исследователи начали с измерения оптических характеристик генератора квантовых случайных чисел на чипе в изоляции. Они обнаружили, что схема вела себя так, как ожидалось, с оптическим усилителем на чипе, усиливающим квантовый сигнал.
Затем они упаковали чип и установили его на печатную плату, чтобы он мог работать вместе с высокоскоростной электроникой. После того как чип перестал быть изолированным, они наблюдали электронные перекрёстные помехи, но их конструкция с двумя фотодиодами помогла минимизировать эти помехи. Помимо генерации случайных чисел со скоростью 3 Гбит/с, система работала непрерывно в течение 24 часов, подтверждая отличную стабильность — преимущество использования одного лазера для максимизации видимости интерференции.
Далее исследователи планируют увеличить уровень интеграции между оптическими и электронными частями. «Наша цель — добавить больше электронных функций непосредственно на фотонный чип, чтобы генератор стал как можно ближе к компактному автономному устройству», — сказал Смит. «Это упростит его развёртывание в реальных системах и приблизит к коммерческой жизнеспособности».