Новый генератор случайных чисел квантового числа достигает скорости 2 Гбит/с.

Реализация развертываемого ОЭС с интегрированной фотоникой.Кредит: Природа Электроника (2024).Doi: 10.1038/s41928-024-01140-0

Исследователи в Toshiba Europe Ltd. недавно разработали новый квантовый генератор случайных чисел (QRNG) на основе фотонной интегрированной схемы, которая может быть непосредственно интегрирована в электронные устройства.Этот QRNG, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, может надежно и надежно генерировать случайные числа на замечательной скорости 2 Гбит S-1.

«Случайность в настоящее время является ценным товаром, так как он управляет почти всеми цифровыми протоколами, которые обеспечивают частное общение»,-сказал Tech Xplore Рэймонд Смит, старший научный сотрудник и соавтор статьи.

«Общее использование генераторов псевдолупиточных чисел (PRNG) представляет потенциальную угрозу безопасности, поскольку PRNG являются просто детерминированными алгоритмами и не обеспечивают истинную случайность. Это особенно важно для безопасных систем связи».

Недавние исследования подчеркнули потенциал генерации действительно непредсказуемых чисел с использованием QRNG, генераторов случайных чисел, которые используют естественные процессы квантового происхождения.Смит и его коллеги в Toshiba экспериментировали с этими методами.

«Предыдущие исследования и идеи, которые вдохновили эту работу, включают в себя стремление упростить оборудование QRNG», - сказал Смит.

«Как правило, QRNG используют фотонные компоненты, такие как лазеры и детекторы, которые являются громоздкими и требуют специальной обработки при сборке с электроникой. Эта сложность делает QRNG более сложными для развертывания в крупномасштабных и дорогостоящих. Однако технология, называемая« интегрированной фотоникой ».помогает преодолеть эти проблемы ».

Интегрированные фотоники позволяют исследователям конденсировать все центральные оптические компоненты в единый чип, который составляет всего несколько миллиметров размера.Смит и его коллеги пытались использовать интегрированные технологии фотоники для создания фотонной интегрированной схемы (PIC), которая может упростить сложность их метода QRNG, способствуя его будущему крупномасштабному развертыванию.

«За последние годы Toshiba добился ряда достижений в технологии PIC, включая развитие первой в мире системы квантового распределения ключей (QKD) на основе чипов»,-сказал Смит.

«Эта система QKD включала картину QRNG в 14-контактную пакет бабочек, оптический выход которого необходимо было связать с волокном с высокоскоростным фотодиодом на электронном плате QRNG».

Основная цель недавнего исследования команды в Toshiba состояла в том, чтобы разработать полностью отработанную QRNG на основе PIC с только электронными входами и выходами.Кроме того, исследователи планировали развернуть QRNG на реальных устройствах для проверки его эффективности.

«Как правило, фото тестируются в контролируемых условиях с использованием специализированного лабораторного оборудования», - пояснил Смит.«Этот подход затрудняет оценку эффективности этой технологии, когда -то развернутой в реальных системах, в реальных условиях эксплуатации».

Смит и его коллеги спроектировали компактную печатную плату, которая внедряет разработанную ими картинку, называемую Optical Entropy Core (OEC).OEC имеет стандартную упаковку, которая напоминает другие электронные чипы и измеряет 6 x 6 мм2.Встроенная плата, в которую встроена электронные модули, которые управляют картинкой, а также модули, которые считывают его сгенерированные случайные сигналы.

“Итак, как производится случайный сигнал?”Смит сказал.”PIC содержит два лазера, которые излучают оптические импульсы со случайными фазами из -за квантового шума. Эти импульсы мешают друг другу, генерируя импульс со случайной оптической интенсивностью, который затем преобразуется в сигнал случайного тока быстрого детектора.обрабатывается платой и преобразуется в случайные биты, которые могут быть распределены с очень быстрой скоростью (ГБ/с) ».

Основным преимуществом нового интегрированного QRNG на основе фотоники является то, что его базовая каркаЭто может облегчить его будущее крупномасштабное развертывание в различных электронных устройствах, что делает его конкурентной и лучшей альтернативой PRNG.

«Мы построили восемь досок для изучения изменчивости производительности на разных устройствах», - сказал Смит.«Более того, чтобы обеспечить безопасность его окончательного вывода, QRNG выполняет медицинские тесты на выходе ОЭС, чтобы убедиться, что он непрерывно работает, как и ожидалось, автоматически регулируя параметры вождения ОЭС, если это необходимо, а также расчет обеспеченной скорости генерации, которая можетдостичь в режиме реального времени.

В то время как фото обычно протестируются в изоляции с использованием специализированного оборудования, PIC, разработанная в Toshiba, может быть легко интегрирована с электроникой и протестирована в реальных условиях.Первоначальные тесты были очень многообещающими, демонстрируя, что OEC может работать так же надежно, как и другие стандартные электронные компоненты.

«Мы встроили плату QRNG в систему QKD и непрерывно работали в течение 38 дней, создавая стабильный случайный сигнал, несмотря на значительные колебания температуры», - сказал Смит.«Этот тест демонстрирует готовность нашего QRNG для развертывания в реальных системах, в реальных условиях эксплуатации. Другой заметный момент заключается в том, что мы получили очень похожие выступления от всех восьми советов, что имеет решающее значение для установления базовой линии производительности».

Недавнее исследование этой группы исследователей представляет собой ключевое развитие в разработке интегрированных фотонных QRNG и может способствовать их будущему массовому развертыванию.До сих пор Смит и его коллеги смогли достичь случайного уровня генерации битов до 8 Гбит/с, но вскоре они надеются еще больше увеличить эту скорость.

«Это сделает эти QRNG привлекательными для моделирования и высокопроизводительных вычислений»,-добавил Смит.«Мы также планируем продолжать повышать надежность наших QRNG, чтобы гарантировать, что они могут надежно работать в реальных случаях использования».

More information: Davide G. Marangon et al, A fast and robust quantum random number generator with a self-contained integrated photonic randomness core, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01140-0.