Новый квантовый генератор случайных чисел на основе фотонной интегральной схемы

Надежная генерация случайных чисел стала центральным компонентом информационных и коммуникационных технологий. Генераторы случайных чисел, алгоритмы или устройства, которые могут создавать случайные последовательности чисел, теперь помогают обеспечить безопасность связи между различными устройствами, создавать статистические выборки для различных других приложений.

Исследователи из Toshiba Europe Ltd. разработали новый квантовый генератор случайных чисел (QRNG) на основе фотонной интегральной схемы, который можно напрямую интегрировать в электронные устройства. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics.

Общее использование распространённых сейчас генераторов псевдослучайных чисел содержит потенциальную угрозу безопасности, поскольку такие генераторы представляют собой просто детерминированные алгоритмы и не обеспечивают истинную случайность. Это особенно важно для защищенных систем связи. Недавние исследования подчеркнули потенциал создания действительно непредсказуемых чисел с использованием QRNG —генераторов случайных чисел, которые используют естественные процессы квантового происхождения.

Обычно в QRNG используются фотонные компоненты, такие как лазеры и детекторы, которые громоздки и требуют особого обращения при сборке с электроникой. Эта сложность делает такие генераторы более сложным для развертывания в больших масштабах и более дорогим. Однако технология, называемая «интегрированная фотоника», помогает преодолеть эти проблемы.

Интегрированные схемы фотоники позволяют разработчикам сконцентрировать все центральные оптические компоненты в одной микросхеме размером всего несколько миллиметров. Исследователи из Toshiba попытались использовать технологии интегрированной фотоники для создания фотонной интегральной схемы (PIC), которая могла бы упростить их метод QRNG, способствуя его будущему крупномасштабному развертыванию.

Основной целью  исследования команды Toshiba была разработка полноценного QRNG на основе PIC только с электронными входами и выходами. Кроме того, разработчики планировали развернуть QRNG на реальных устройствах, чтобы проверить его эффективность. Исследователи разработали компактную печатную плату, в которую встроили разработанную ими PIC, названную оптическим энтропийным ядром (OEC). OEC имеет стандартную упаковку, напоминающую упаковку других электронных чипов, размером 6 x 6 мм². Печатная плата, в которую встроена фотонная интегральная схема, включает в себя электронные модули, которые управляют PIC, а также модули, считывающие сгенерированные ею случайные сигналы.

Основным преимуществом нового интегрированного QRNG на основе фотоники является то, что лежащая в его основе PIC экономически эффективна и может быть собрана на электронных платах с использованием традиционных методов последовательной сборки. Это может способствовать будущему крупномасштабному внедрению QRNG в различные электронные устройства, что сделает его конкурентоспособной и более эффективной альтернативой генераторам псевдослучайных чисел.

Хотя PIC обычно тестируются изолированно с использованием специального оборудования, чип, разработанный в Toshiba, может быть легко интегрирован с электроникой и протестирован в реальных условиях. Первоначальные испытания были весьма многообещающими, продемонстрировав, что OEC может работать так же надежно, как и другие стандартные электронные компоненты.

Работа этой группы исследователей представляет собой ключевой прогресс в разработке интегрированных QRNG на фотонной основе и может способствовать их будущему массовому развертыванию. На данный момент разработчикам удалось достичь скорости генерации случайных чисел до 8 Гбит/с, однако вскоре они надеются еще больше увеличить эту скорость.