Onderzoekers hebben aangetoond dat een op chips gebaseerd apparaat van een vierkante millimeter kan worden gebruikt om op kwantum gebaseerde willekeurige getallen te genereren met snelheden van gigabit per seconde. Het kleine apparaat vereist weinig stroom en kan stand-alone generatoren voor willekeurige getallen mogelijk maken of worden geïntegreerd in laptops en smartphones om realtime codering te bieden.

"Hoewel een deel van de besturingselektronica nog niet is geïntegreerd, het door ons ontworpen apparaat integreert alle benodigde optische componenten op één chip, " zei eerste auteur Francesco Raffaelli, Universiteit van Bristol, Verenigd Koninkrijk. "Het alleen gebruiken van dit apparaat of het integreren ervan in andere draagbare apparaten zou in de toekomst zeer nuttig zijn om onze informatie veiliger te maken en onze privacy beter te beschermen."

Willekeurige nummergeneratoren worden gebruikt om gegevens te coderen die worden verzonden tijdens digitale transacties, zoals het online kopen van producten of het verzenden van een beveiligde e-mail. De generatoren van willekeurige getallen zijn tegenwoordig gebaseerd op computeralgoritmen, die gegevens kwetsbaar kunnen maken als hackers erachter komen welk algoritme wordt gebruikt.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers rapporteren een quantum random number generator op basis van willekeurig uitgezonden fotonen van een diodelaser. Omdat de fotonenemissie inherent willekeurig is, het is onmogelijk om de cijfers te voorspellen die zullen worden gegenereerd.

"Vergeleken met andere geïntegreerde kwantumgeneratoren voor willekeurige getallen die onlangs zijn aangetoond, de onze kunnen zeer hoge generatiesnelheden bereiken met relatief lage optische vermogens, "Zei Raffaelli. "Door minder stroom te gebruiken om willekeurige getallen te produceren, worden problemen zoals overtollige warmte op de chip voorkomen."

Silicium fotonica

De nieuwe chip is mogelijk gemaakt door ontwikkelingen in de siliciumfotonica-technologie, die dezelfde halfgeleiderfabricagetechnieken gebruikt die worden gebruikt om computerchips te maken om optische componenten in silicium te fabriceren. Het is nu mogelijk om golfgeleiders van silicium te maken die licht door de chip kunnen geleiden zonder onderweg de lichtenergie te verliezen. Deze golfgeleiders kunnen op een chip worden geïntegreerd met elektronica en geïntegreerde detectoren die met zeer hoge snelheden de lichtsignalen omzetten in informatie.

De nieuwe op chips gebaseerde generator voor willekeurige getallen maakt gebruik van het feit dat een laser onder bepaalde omstandigheden willekeurig fotonen uitzendt. Het apparaat zet deze fotonen om in optische kracht met behulp van een klein apparaatje dat een interferometer wordt genoemd. Zeer kleine fotodetectoren die in dezelfde chip zijn geïntegreerd, detecteren vervolgens het optische vermogen en zetten dit om in een spanning die kan worden omgezet in willekeurige getallen.

"Ondanks de vooruitgang in siliciumfotonica, er is nog steeds licht verloren in de chip, waardoor er zeer weinig licht de detectoren bereikt, "zei Raffaelli. "Hierdoor moesten we alle parameters zeer nauwkeurig optimaliseren en elektronica met weinig ruis ontwerpen om het optische signaal in de chip te detecteren."

Het nieuwe op chips gebaseerde apparaat biedt niet alleen draagbaarheidsvoordelen, maar is ook stabieler dan hetzelfde apparaat dat is gemaakt met bulkoptica. Dit komt omdat interferometers erg gevoelig zijn voor omgevingscondities zoals temperatuur en het is gemakkelijker om de temperatuur van een kleine chip te regelen. Het is ook veel gemakkelijker om duizenden identieke chips nauwkeurig te reproduceren met behulp van halfgeleiderfabricage, terwijl het reproduceren van de noodzakelijke precisie met bulkoptiek moeilijker is.

De chip testen

Om hun ontwerp experimenteel te testen, de onderzoekers lieten een gieterij de chip voor het genereren van willekeurige getallen fabriceren. Na het karakteriseren van de optische en elektronische prestaties, ze gebruikten het voor het genereren van willekeurige getallen. Ze schatten een potentiële kans op het genereren van willekeur van bijna 2,8 gigabit per seconde voor hun apparaat, die snel genoeg zou zijn om real-time codering mogelijk te maken.

"We hebben het genereren van willekeurige getallen aangetoond met ongeveer een tiende van het vermogen dat wordt gebruikt in andere op chips gebaseerde apparaten voor het genereren van kwantum-random-getallen, " zei Raffaelli. "Ons werk toont de haalbaarheid van dit soort geïntegreerd platform aan."

Hoewel de chip met de optische componenten slechts één millimeter in het vierkant is, de onderzoekers gebruikten een externe laser die de bron van willekeur en elektronica en meetinstrumenten biedt waarvoor een optische tafel nodig was. Ze werken nu aan een draagbaar apparaat ter grootte van een mobiele telefoon dat zowel de chip als de benodigde elektronica bevat.