研究人员使用简单的激光制造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——数据加密和科学模拟等应用中梦寐以求的资源——并可能催生小到足以安装在单个计算机芯片上的设备。
真正的随机性出人意料地难以获得。传统计算机中的算法可以生成起初看起来是随机的数字序列，但随着时间的推移，这些序列往往会显示出模式。这使得它们至少在一定程度上是可预测的，因此容易被解码。
为了使加密更安全，研究人员转向了量子力学，物理定律保证某些测量的结果（例如放射性原子何时衰变）是真正随机的。
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一种利用量子随机性的流行方法是利用激光器中使用的材料发射光子的方式的波动。典型的激光设备旨在最大限度地减少这些波动，以产生强度稳定的光：它们使光波在材料内部来回反射，以迫使其原子彼此同步地发射越来越多的光子。
但是对于随机数生成，研究人员的目标恰恰相反。“我们希望强度随机波动，这样我们就可以将强度数字化以生成随机数，”康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的应用物理学家曹辉说。
精致的设备
曹和她的团队将他们的激光材料（一种半透明半导体）制成领结形状。光子在领结的弯曲壁之间多次反射，然后作为散射光束射出。然后，研究人员可以使用超高速相机捕获光线。他们记录了 254 个独立像素的光输出，这些像素共同产生了大约每秒 250 太比特或 250 太赫兹的随机比特率。这比以前的此类设备快几个数量级，以前的设备一次只记录一个像素。他们的研究结果于 2 月 25 日发表在《科学》杂志上。
科罗拉多州博尔德市美国国家标准与技术研究院的物理学家克里斯特·沙尔姆说，这项发明“代表了随机数发生器性能的重大飞跃”。
最快的现有计算机的时钟速度以千兆赫兹为单位，这太慢了，无法充分利用曹的设备的全部功率。通过使用更简单的光探测器而不是高速相机，可以使该装置更小。曹说，这最终可能会产生小到足以安装在单个计算机芯片上的实用设备。这些设备可能具有有用的应用，例如移动电话上的加密技术。
本文经许可转载，并于 2021 年 3 月 2 日首次发表。