Pervasive come sono negli usi quotidiani, come crittografia e sicurezza, i numeri digitali generati casualmente sono raramente veramente casuali.

Finora, solo ingombrante, i generatori di numeri casuali quantistici relativamente lenti (QRNG) possono raggiungere livelli di casualità alla pari con le leggi di base della fisica quantistica, ma i ricercatori stanno cercando di rendere questi dispositivi più veloci e portatili.

In Lettere di fisica applicata , scienziati cinesi presentano il QRNG in tempo reale più veloce fino ad oggi per rendere i dispositivi più veloci e portatili. Il dispositivo combina un chip fotonico integrato all'avanguardia con una postelaborazione ottimizzata in tempo reale per estrarre la casualità dalla fonte di entropia quantistica degli stati di vuoto.

"Recentemente, la tecnologia della fotonica quantistica integrata ha mostrato vantaggi significativi in ​​termini di riduzione delle dimensioni, " ha detto l'autore Jun Zhang. "In questo lavoro, dimostriamo ulteriormente che tale tecnologia potrebbe essere utilizzata per l'ultraveloce, generazione di numeri casuali quantistici in tempo reale."

La maggior parte dei QRNG oggi utilizza componenti fotonici ed elettronici discreti, ma l'integrazione di tali componenti all'interno di un chip rimane una sfida tecnica.

"I numeri casuali quantistici sono imprevedibili, irriproducibile e imparziale, la cui casualità deriva dalla natura intrinseca indeterministica della fisica quantistica, " disse Zhang.

Il chip del gruppo utilizza fotodiodi di indio-germanio-arseniuro e un amplificatore di transimpedenza integrato su un chip di fotonica di silicio che include diversi accoppiatori e attenuatori. La combinazione di questi componenti consente al QRNG di rilevare i segnali da una fonte di entropia quantistica con una risposta in frequenza notevolmente migliorata.

"Il punto sorprendente del nostro lavoro è che le prestazioni di risposta ad alta frequenza del chip integrato fotonico finale sono migliori del previsto, " disse Zhang.

Una volta rilevati i segnali di casualità, sono elaborati da un array di porte programmabili sul campo, che estrae numeri veramente casuali dai dati grezzi. Il dispositivo risultante può generare numeri a quasi 19 gigabit al secondo, che è un nuovo record mondiale. I numeri casuali possono quindi essere inviati a qualsiasi computer tramite un cavo in fibra ottica.

Avviare, il chip del gruppo misura solo 15,6 per 18,0 millimetri, significativamente più piccolo della maggior parte degli attuali moduli o strumenti QNRG.

Zhang e il gruppo sperano che il loro approccio aiuti a spianare la strada affinché i QRNG diventino una soluzione più pratica per dispositivi veloci e compatti.

"Sulla base del nostro lavoro attuale, nel futuro, svilupperemo un singolo chip QRNG a basso costo con un bit rate casuale moderato, a livello di megabit al secondo, per usi commerciali, " ha detto Zhang. "Un tale singolo chip potrebbe essere molto utile in diversi sistemi elettronici che richiedono numeri o segnali casuali e persino nei telefoni cellulari per migliorare la sicurezza".