據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，一款采用芯片技術(shù)的器件面積僅1平方毫米，卻具有在最低功耗水平下以每秒吉字節(jié)（Gb／s）的速度產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)的潛力。由硅光子學(xué)實(shí)現(xiàn)的微型器件可以在諸如筆記本電腦和智能手機(jī)等設(shè)備中獨(dú)立存在或內(nèi)置于器件，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加密。
英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員展示了一種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，基于二極管激光器隨機(jī)發(fā)射的光子。因?yàn)閬碜约す馄鞯墓庾影l(fā)射本質(zhì)上是隨機(jī)的，所以不可能預(yù)測(cè)將產(chǎn)生的數(shù)量。量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）的其它所需光學(xué)元件均集成在毫米級(jí)尺寸絕緣襯底上的硅（SOI）芯片上。
研究人員研發(fā)出的采用芯片技術(shù)的器件，面積僅1平方毫米，以Gb／s的速度產(chǎn)生量子隨機(jī)數(shù)。如下圖，這顆位于一便士硬幣右邊的器件卻包括了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的所有光學(xué)元件。該裝置利用干涉儀將發(fā)射的光子轉(zhuǎn)換成光功率。集成到芯片中的微型光電探測(cè)器檢測(cè)光功率并將其轉(zhuǎn)換成可產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的電壓。
研究人員稱，實(shí)際上只有少量的光子能夠到達(dá)光電探測(cè)器，大部分光子在芯片內(nèi)部就損耗了。為了減輕這種影響，研究人員優(yōu)化了參數(shù)并設(shè)計(jì)了低噪聲電子器件來檢測(cè)芯片內(nèi)部的光信號(hào)。
出于測(cè)試的目的，研究人員采用晶圓代工廠的半導(dǎo)體技術(shù)制造隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片，并在獲得芯片的光學(xué)和電學(xué)性能參數(shù)之后，再使用其來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。他們估算潛在的隨機(jī)數(shù)生成效率可接近2．8 Gb／s，這個(gè)速度非?？欤阋詫?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加密。
研究員Francesco Raffaelli談到，這款隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的功耗只有其他基于芯片的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器器件的十分之一。
相比使用體光學(xué)（bulk optics）技術(shù)的同類器件，這款新器件更易便攜，也更穩(wěn)定，部分原因歸功于微型芯片的溫度等因素更容易控制。使用半導(dǎo)體制造技術(shù)，而不是bulk optics技術(shù)，更容易精確地復(fù)制數(shù)千顆相同的芯片。
研究人員使用光學(xué)平臺(tái)所需的外部激光器、電子器件、測(cè)量工具展示QRNG。他們正在創(chuàng)造尺寸與移動(dòng)電話相當(dāng)，包括光學(xué)元件和必要的電子芯片的便攜式裝置。研究小組認(rèn)為，更復(fù)雜的系統(tǒng)完成更高的集成度將有可能，信心來自于器件尺寸、簡(jiǎn)單易用性、魯棒性和低功耗操作等優(yōu)點(diǎn)，以及越來越多的行業(yè)采用硅光子器件。
研究小組稱其研發(fā)的QRNG可以直接集成到硅基器件中，比如量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)相信，QRNG還能找到其他應(yīng)用，滿足SOI器件對(duì)低沖擊率、高隨機(jī)數(shù)源的需求。
“雖然電子控制部分尚不完整，我們已經(jīng)把器件設(shè)計(jì)所需的所有光學(xué)元件集成在一顆芯片上，”Raffaelli說，“單獨(dú)使用該器件或?qū)⑵浼傻狡渌銛y裝置，在未來保護(hù)信息安全和個(gè)人隱私方面都會(huì)發(fā)揮重大的作用。”
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