Hoe alomtegenwoordig ze ook zijn in het dagelijks gebruik, zoals encryptie en beveiliging, willekeurig gegenereerde digitale nummers zijn zelden echt willekeurig.

Tot dusver, alleen omvangrijk, relatief trage quantum random number generators (QRNG's) kunnen niveaus van willekeur bereiken die vergelijkbaar zijn met de basiswetten van de kwantumfysica, maar onderzoekers willen deze apparaten sneller en draagbaarder maken.

In Technische Natuurkunde Brieven , wetenschappers uit China presenteren de snelste realtime QRNG tot nu toe om de apparaten sneller en draagbaarder te maken. Het apparaat combineert een ultramoderne fotonische geïntegreerde chip met geoptimaliseerde realtime nabewerking voor het extraheren van willekeur uit kwantumentropiebronnen van vacuümtoestanden.

"Onlangs, de technologie van geïntegreerde kwantumfotonica heeft aanzienlijke voordelen opgeleverd in termen van verkleining, " zei auteur Jun Zhang. "In dit werk, bewijzen we verder dat dergelijke technologie kan worden gebruikt voor ultrasnelle, real-time quantum random number generatie."

De meeste QRNG's gebruiken tegenwoordig discrete fotonische en elektronische componenten, maar het integreren van dergelijke componenten in een chip blijft een technische uitdaging.

"Quantum willekeurige getallen zijn onvoorspelbaar, niet reproduceerbaar en onbevooroordeeld, wiens willekeur voortkomt uit de intrinsieke indeterministische aard van de kwantumfysica, ' zei Zhang.

De chip van de groep maakt gebruik van indium-germanium-arsenide-fotodiodes en een transimpedantieversterker die is geïntegreerd in een siliciumfotonica-chip die verschillende koppelaars en verzwakkers bevat. Door deze componenten te combineren, kan de QRNG signalen detecteren van een kwantumentropiebron met een aanzienlijk verbeterde frequentierespons.

"Het verrassende punt in ons werk is dat de hoogfrequente responsprestaties van de uiteindelijke fotonische geïntegreerde chip beter zijn dan verwacht, ' zei Zhang.

Zodra willekeurigheidssignalen worden gedetecteerd, ze worden verwerkt door een veldprogrammeerbare poortarray, die echt willekeurige getallen uit de onbewerkte gegevens haalt. Het resulterende apparaat kan getallen genereren met bijna 19 gigabit per seconde, wat een nieuw wereldrecord is. De willekeurige getallen kunnen vervolgens via een glasvezelkabel naar elke computer worden verzonden.

Opstarten, de chip van de groep meet slechts 15,6 bij 18,0 millimeter, aanzienlijk kleiner dan de meeste huidige QNRG-modules of -instrumenten.

Zhang en de groep hopen dat hun aanpak de weg vrijmaakt voor QRNG's om een ​​meer praktische oplossing te worden voor snelle en compacte apparaten.

"Op basis van ons huidige werk, in de toekomst, we zullen een goedkope enkele chip van QRNG ontwikkelen met een matige willekeurige bitsnelheid, op het niveau van megabits per seconde, voor commercieel gebruik, "Zhang zei. "Zo'n enkele chip kan erg handig zijn in diverse elektronische systemen die willekeurige getallen of signalen vereisen en zelfs in mobiele telefoons om de veiligheid te verbeteren."