I ricercatori hanno dimostrato che un dispositivo basato su chip che misura un millimetro quadrato potrebbe essere utilizzato per generare numeri casuali quantistici a velocità di gigabit al secondo. Il minuscolo dispositivo richiede poca energia e potrebbe consentire generatori di numeri casuali autonomi o essere incorporato in laptop e smartphone per offrire la crittografia in tempo reale.

"Anche se parte dell'elettronica di controllo non è ancora integrata, il dispositivo che abbiamo progettato integra tutti i componenti ottici necessari su un unico chip, " disse il primo autore Francesco Raffaelli, Università di Bristol, Regno Unito. "Utilizzare questo dispositivo da solo o integrarlo in altri dispositivi portatili sarebbe molto utile in futuro per rendere le nostre informazioni più sicure e per proteggere meglio la nostra privacy".

I generatori di numeri casuali vengono utilizzati per crittografare i dati trasmessi durante le transazioni digitali come l'acquisto di prodotti online o l'invio di un'e-mail sicura. I generatori di numeri casuali odierni si basano su algoritmi informatici, che può lasciare i dati vulnerabili se gli hacker scoprono l'algoritmo utilizzato.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori riportano un generatore di numeri casuali quantistici basato su fotoni emessi casualmente da un laser a diodi. Poiché l'emissione di fotoni è intrinsecamente casuale, è impossibile prevedere i numeri che verranno generati.

"Rispetto ad altri generatori di numeri casuali quantistici integrati dimostrati di recente, i nostri possono raggiungere tassi di generazione molto elevati con potenze ottiche relativamente basse, " ha detto Raffaelli. "Usare meno energia per produrre numeri casuali aiuta a evitare problemi come l'eccesso di calore sul chip".

Fotonica del silicio

Il nuovo chip è stato reso possibile dagli sviluppi nella tecnologia della fotonica del silicio, che utilizza le stesse tecniche di fabbricazione di semiconduttori utilizzate per realizzare chip per computer per fabbricare componenti ottici in silicio. Ora è possibile fabbricare guide d'onda in silicio in grado di guidare la luce attraverso il chip senza perdere l'energia luminosa lungo il percorso. Queste guide d'onda possono essere integrate su un chip con elettronica e rilevatori integrati che operano a velocità molto elevate per convertire i segnali luminosi in informazioni.

Il nuovo generatore di numeri casuali basato su chip sfrutta il fatto che in determinate condizioni un laser emette fotoni in modo casuale. Il dispositivo converte questi fotoni in potenza ottica utilizzando un minuscolo dispositivo chiamato interferometro. Fotorivelatori molto piccoli integrati nello stesso chip rilevano quindi la potenza ottica e la convertono in una tensione che può essere trasformata in numeri casuali.

"Nonostante i progressi nella fotonica del silicio, c'è ancora luce persa all'interno del chip, che porta a pochissima luce che raggiunge i rilevatori, " ha detto Raffaelli. "Questo ci ha richiesto di ottimizzare tutti i parametri in modo molto preciso e di progettare un'elettronica a basso rumore per rilevare il segnale ottico all'interno del chip".

Il nuovo dispositivo basato su chip non solo offre vantaggi in termini di portabilità, ma è anche più stabile rispetto allo stesso dispositivo realizzato utilizzando l'ottica bulk. Questo perché gli interferometri sono molto sensibili alle condizioni ambientali come la temperatura ed è più facile controllare la temperatura di un piccolo chip. È anche molto più facile riprodurre con precisione migliaia di chip identici utilizzando la fabbricazione di semiconduttori, mentre riprodurre la necessaria precisione con ottiche bulk è più difficile.

Testare il chip

Per testare sperimentalmente il loro design, i ricercatori hanno fatto fabbricare a una fonderia il chip del generatore di numeri casuali. Dopo aver caratterizzato le prestazioni ottiche ed elettroniche, l'hanno usato per la generazione di numeri casuali. Stimano un potenziale tasso di generazione di casualità di quasi 2,8 gigabit al secondo per il loro dispositivo, che sarebbe abbastanza veloce da abilitare la crittografia in tempo reale.

"Abbiamo dimostrato la generazione di numeri casuali utilizzando circa un decimo della potenza utilizzata in altri dispositivi generatori di numeri casuali quantistici basati su chip, " ha detto Raffaelli. "Il nostro lavoro mostra la fattibilità di questo tipo di piattaforma integrata".

Sebbene il chip contenente i componenti ottici sia solo di un millimetro quadrato, i ricercatori hanno utilizzato un laser esterno che fornisce la fonte di casualità e strumenti elettronici e di misurazione che richiedevano un tavolo ottico. Ora stanno lavorando per creare un dispositivo portatile delle dimensioni di un telefono cellulare che contenga sia il chip che l'elettronica necessaria.