Bộ tạo số ngẫu nhiên nhanh nhất từng được chế tạo

Không dễ để tìm thấy sự ngẫu nhiên thực sự. Các thuật toán trong máy tính thông thường có thể tạo ra các chuỗi số thoạt đầu có vẻ ngẫu nhiên, nhưng theo thời gian, các thuật toán này có xu hướng lặp lại theo các mẫu hình và xu hướng nhất định. Do đó chúng phần nào trở nên có thể dự đoán được, và dễ bị giải mã.

Để mã hóa một cách an toàn hơn, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang cơ học lượng tử - tìm sự ngẫu nhiên từ kết quả của các phép đo nhất định (chẳng hạn như khi nào một nguyên tử phóng xạ phân rã), và các định luật vật lý sẽ đảm bảo rằng kết quả thu được thực sự là ngẫu nhiên và không thể đoán trước.

Một cách phổ biến để khai thác tính ngẫu nhiên lượng tử là khai thác các dao động trong việc phát photon của các vật liệu dùng trong laser. Các thiết bị phát laser thường được thiết kế để giảm thiểu những dao động này, tạo ra ánh sáng có cường độ ổn định.

Nhưng đối với việc tạo số ngẫu nhiên, các nhà nghiên cứu hướng đến điều ngược lại. Hui Cao, một nhà vật lý ứng dụng tại Đại học Yale ở New Haven, Connecticut, cho biết: ''Chúng tôi muốn có cường độ dao động ngẫu nhiên, số hóa chúng để tạo ra các số ngẫu nhiên.''

Hui Cao và nhóm của cô đã chế tạo vật liệu laser của họ - một chất bán dẫn trong mờ - có hình dạng như một chiếc nơ. Các photon nảy giữa các đường cong của chiếc nơ nhiều lần, trước khi phát ra dưới dạng chùm tia phân tán. Sau đó, họ chụp ánh sáng phân tán phát ra bằng một máy ảnh cực nhanh. Họ đã ghi lại đầu ra ánh sáng của 254 pixel độc lập, cùng nhau chúng tạo ra các bit ngẫu nhiên với tốc độ khoảng 250 terabits mỗi giây, hay 250 terahertz. Tốc độ này nhanh hơn nhiều so với các thiết bị tạo số ngẫu nhiên trước đây, chỉ ghi lại một pixel tại một thời điểm. Kết quả của họ đã được báo cáo trên tạp chí Science vào ngày 25 tháng 2.

Krister Shalm, một nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ ở Boulder, Colorado, cho biết phát minh ''đại diện cho một bước nhảy vọt lớn về hiệu suất của máy tạo số ngẫu nhiên.''

Các máy tính nhanh nhất hiện nay có tốc độ xử lý được đo bằng gigahertz (1000 gigahertz mới bằng 1 terahertz), tốc độ này quá chậm để khai thác hết sức mạnh của thiết bị của Cao.

Vì thế, thiết bị tạo số ngẫu nhiên này có thể được rút gọn kích thước bằng cách sử dụng các thiết ghi đầu ra ánh sáng đơn giản hơn thay vì một máy ảnh tốc độ cao, mà vẫn đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu của các máy tính hiện tại. Cao cho biết, nghiên cứu này của nhóm có thể mang lại các thiết bị thực tế đủ nhỏ để tích hợp vừa trên một chip máy tính, đem lại các ứng dụng hữu ích về mã hóa và bảo mật.

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6