Создан миниатюрный квантовый генератор случайных чисел с рекордной скоростью

Новый чиповый квантовый генератор случайных чисел (QRNG) сочетает миниатюрные размеры с высокоскоростной и качественной работой. Исследователи показали, что он может генерировать непредсказуемые случайные числа со скоростью 3 Гбит/с. Автор: Рэймонд Смит, Кембриджская исследовательская лаборатория Toshiba

Исследователи разработали чиповый квантовый генератор случайных чисел, который обеспечивает высокоскоростную и качественную работу на миниатюрной платформе. Этот прорыв может помочь приблизить момент, когда такие генераторы будут встраиваться непосредственно в повседневные устройства, усиливая безопасность без потери скорости.

Истинная случайность необходима для безопасных онлайн-банковских операций, приватных сообщений и защиты конфиденциальных данных от хакеров. Растущая потребность в более надежной цифровой защите стимулирует быстро увеличивающийся спрос на высококачественные случайные числа, генерируемые на высоких скоростях.

«Квантовые свойства света позволяют генерировать числа, которые являются подлинно случайными, в отличие от чисел, создаваемых компьютерными алгоритмами, которые лишь имитируют случайность», — пояснил руководитель исследовательской группы Рэймонд Смит из Кембриджской исследовательской лаборатории Toshiba в Великобритании. «Однако, чтобы сделать эту технологию практичной для реального использования, оптические компоненты, создающие эти квантовые эффекты, должны быть как можно меньше, чтобы они могли поместиться внутри других систем».

В журнале Optica Quantum исследователи описали новую конструкцию квантового генератора случайных чисел, которая способна восстанавливать квантовый сигнал, даже когда он «закопан» в шумах, что было сложной задачей для чиповых устройств. Новое устройство может генерировать непредсказуемые случайные числа со скоростью 3 гигабита в секунду, что достаточно для поддержки потребностей в безопасности крупных центров обработки данных.

«Основное применение генераторов случайных чисел — защита конфиденциальных данных и коммуникаций с использованием ключей шифрования», — сказал Смит. «Наша технология может генерировать эти ключи на высокой скорости и с надежными гарантиями безопасности. Высокоскоростные случайные числа также критически важны для научного моделирования, искусственного интеллекта и обеспечения честности в таких приложениях, как онлайн-игры или цифровые лотереи».

Подавление шума

Интегральная фотоника, использующая крошечные оптические схемы на чипе для генерации, направления и управления светом, позволяет уменьшить сложные оптические установки до размера в несколько миллиметров. Однако такие малые системы более чувствительны к внешним помехам, например, электронному шуму, который может испортить качество квантовых случайных чисел. Поэтому восстановление истинной квантовой случайности обычно требует сложных процедур фильтрации, которые значительно снижают скорость генерации.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи разработали генератор, который усиливает слабые сигналы с помощью оптического усилителя и использует второй фотодиод для подавления перекрестных помех и другого оптического или электрического шума.

«Благодаря встроенным функциям подавления шума, фотонная интегральная схема с самого начала производит гораздо более чистый сигнал, поэтому она гораздо меньше зависит от сложной постобработки», — отметил Смит. «Это означает, что мы можем сохранить преимущества миниатюрной платформы, при этом генерируя подлинно случайные числа на высокой скорости».

Надежная генерация

Для тестирования новой конструкции исследователи начали с измерения оптических характеристик чипового генератора в изоляции. Они обнаружили, что схема вела себя так, как ожидалось, а встроенный оптический усилитель усиливал квантовый сигнал.

Затем они упаковали чип и установили его на печатную плату, чтобы он мог работать вместе с высокоскоростной электроникой. Когда чип перестал быть изолированным, они наблюдали электронные перекрестные помехи, но их конструкция с двумя фотодиодами помогла минимизировать это вмешательство. Помимо генерации случайных чисел на скорости 3 Гбит/с, система работала непрерывно в течение 24 часов, что подтвердило её отличную стабильность.

Далее исследователи планируют повысить уровень интеграции между оптическими и электронными компонентами.

«Наша цель — добавить больше электронных функций непосредственно рядом с фотонным чипом, чтобы генератор стал как можно ближе к компактному автономному устройству», — сказал Смит. «Это упростит его развертывание в реальных системах и приблизит к коммерческой жизнеспособности».

Больше информации: Peter Smith et al, Noise-Rejecting Photonic Integrated Circuit for Robust Quantum Random Number Generation, Optica Quantum (2025). DOI: 10.1364/opticaq.570625