Фотонни чипове и квантова магия: QRNG вече може да бъде вграден във всяко устройство.

Случайните числа се превърнаха в крайъгълен камък на информационните и комуникационните технологии. Генераторите на случайни числа, алгоритми или устройства, способни да създават непредсказуеми числови последователности, сега осигуряват сигурна комуникация между различните устройства, генерират статистически извадки и се използват в най-различни приложения.

Изследователи от Toshiba Europe Ltd. разработиха нов квантов генератор на случайни числа (QRNG), базиран на фотонна интегрална схема, който може да бъде директно вграден в различни устройства и компютри. Технологията работи с впечатляващата скорост от 2 Gbps.

„Случайността се е превърнала в ценен ресурс, тъй като е в основата на почти всички цифрови протоколи за защита на личните данни при комуникациите“,

обяснява Реймънд Смит, старши изследовател и съавтор на изследването.

Той посочва потенциалните рискове за сигурността, свързани с използването на генератори на псевдослучайни числа (PRNG), които са само детерминистични алгоритми и не могат да дават напълно случайни резултати.

Най-новите изследвания доказват, че е възможно да се създават наистина непредсказуеми последователности от числа с помощта на QRNG, които използват квантовите ефекти в природата. Смит и колегите му от Toshiba експериментират именно с такива методи.

„Предишните изследвания и идеи, които вдъхновиха нашата работа, бяха свързани с желанието да се опрости хардуерът на QRNG“, казва Смит. „Обикновено в QRNG се използват фотонни компоненти като лазери и детектори, които са обемисти и изискват специална обработка, когато са интегрирани с електрониката. Поради тази сложност QRNG са неудобни за масово производство и са скъпи. Интегрираната фотоника обаче помага да се преодолеят тези предизвикателства.“

Интегрираните фотонни схеми позволяват на учените да концентрират всички ключови оптични компоненти върху един-единствен миниатюрен чип с размери само няколко милиметра. Освен това, поради компактността на технологията, те могат да се използват за измерване на оптичния интензитет, необходим за генериране на случайни числа.

„През последните години Toshiba постигна редица значителни успехи в тази област, включително разработването на първата в света система за квантово разпределение на ключове (QKD), базирана на чип“, казва Смит. „Тази система включва QRNG FIS в 14-пинов пакет тип „пеперуда“, чийто оптичен изход трябваше да бъде свързан с оптична линия към високоскоростен фотодиод на електронна платка“.

Основната цел на неотдавнашните изследвания на екипа на Toshiba беше да се разработи пълнофункционална QRNG, базирана на фотонно-интегрирани схеми, които могат да обработват само електрически входни и изходни сигнали. Освен това изследователите възнамеряватда приложат QRNG в реални устройства, за да потвърдят ефективността му в действие.

„Обикновено тези чипове се тестват в контролирана лабораторна среда с помощта на специализирано оборудване“, обяснява Смит. „Този подход затруднява оценката на ефективността на тази технология, след като тя бъде внедрена в реални системи и различни оперативни среди“.

Смит и колегите му разработват компактна печатна платка, в която вграждат създадения от тях нов фотонен чип, наречен „оптично ентропийно ядро“ (OEC, optical entropy core). OEC има стандартизирана опаковка, подобна на другите електронни чипове, с размери 6 x 6 mm2. Платката, на която е монтиран, включва електронните модули, които управляват OEC, както и модулите за разчитане на генерираните от него случайни сигнали.

И така, как се генерира случайният сигнал? Чипът съдържа два лазера, излъчващи оптични импулси със случайни фази, дължащи се на квантовия шум. Тези импулси интерферират помежду си, създавайки сигнал с непредсказуем оптичен интензитет, който след това се преобразува в случаен електрически импулс от високоскоростен детектор. Сигналът от детектора се обработва от платката и се преобразува в случайни битове, които могат да се разпространяват със свръхвисоки скорости (Gbps).

Основното предимство на новата QRNG, базирана на интегрирана фотоника, е ниската цена на самия фотонен чип, както и възможността той да бъде монтиран на електронни платки с помощта на стандартизирани техники за сериализация. Това би могло да улесни масовото внедряване на QRNG в различните електронни устройства, превръщайки го в достъпна и високопроизводителна алтернатива на PRNG.

За да се гарантира безопасността на крайния изходен сигнал, QRNG извършва проверки на състоянието на изхода на OEC, като потвърждава, че той функционира правилно, и при необходимост автоматично коригира параметрите на управление на OEC.

Първоначалните тестове показаха, че OEC може да работи толкова надеждно, колкото и другите стандартни електронни компоненти.

„Вградихме платката QRNG в система за разпределение на квантови ключове (QKD) и я експлоатирахме непрекъснато в продължение на 38 дни, като получихме стабилен случаен сигнал въпреки значителните температурни колебания“, казва Смит. „Този тест демонстрира готовността на нашата QRNG да бъде внедрена в реални системи и реални условия на работа. Друг забележителен момент е фактът, че получихме почти идентични показатели за ефективност от всичките осем тествани платки“.

През 2021 година международна група учени разработи специализиран лазер, който може да генерира 254 трилиона случайни числа в секунда, което е над сто пъти по-бързо от от компютърните генератори на случайни числа. Съответната научна работа бе публикувана в списание Science.

Въпреки че генерирането на случайни числа се извършва отдавна, то става все по-важно, понеже изчисленията от подобен род са в основата на криптографията. С появата на все повече компютърни устройства в Глобалната мрежа необходимостта от много бързо криптиране, което може да осигури надеждна защита от хакерите, става все по-важно.

Но новият съвсем компактен фотонен чип е значителна стъпка в тази област.