Фотонни чипове и квантова магия: QRNG вече може да бъде

Фотонни чипове и квантова магия: QRNG към този момент може да бъде вграден във всяко устройство.

Случайните цифри се трансфораха в крайъгълен камък на осведомителните и информационните технологии. Генераторите на инцидентни цифри, логаритми или устройства, способни да основават непредсказуеми числови последователности, в този момент обезпечават сигурна връзка сред другите устройства, генерират статистически извадки и се употребяват в най-различни приложения.

Изследователи от Toshiba Europe Ltd. създадоха нов квантов генератор на инцидентни цифри (QRNG), основан на фотонна интегрална скица, който може да бъде непосредствено вграден в разнообразни устройства и компютри. Технологията работи с впечатляващата скорост от 2 Gbps.

„ Случайността се е трансформирала в скъп запас, защото е в основата на съвсем всички цифрови протоколи за отбрана на персоналните данни при връзките “,

обяснява Реймънд Смит, старши откривател и съавтор на проучването.

Той показва евентуалните опасности за сигурността, свързани с потреблението на генератори на псевдослучайни цифри (PRNG), които са единствено детерминистични логаритми и не могат да дават изцяло инцидентни резултати.

Най-новите проучвания потвърждават, че е допустимо да се основават в действителност непредсказуеми последователности от цифри благодарение на QRNG, които употребяват квантовите резултати в природата. Смит и сътрудниците му от Toshiba опитват точно с такива способи.

„ Предишните проучвания и хрумвания, които въодушевиха нашата работа, бяха свързани с желанието да се опрости хардуерът на QRNG “, споделя Смит. „ Обикновено в QRNG се употребяват фотонни съставни елементи като лазери и детектори, които са обемисти и изискват специфична обработка, когато са интегрирани с електрониката. Поради тази трудност QRNG са неуместни за всеобщо произвеждане и са скъпи. Интегрираната фотоника обаче оказва помощ да се преодолеят тези провокации. “

Интегрираните фотонни схеми разрешават на учените да концентрират всички основни оптични съставни елементи върху един-единствен дребен чип с размери единствено няколко милиметра. Освен това, заради компактността на технологията, те могат да се употребяват за премерване на оптичния интензитет, нужен за генериране на инцидентни цифри.

„ През последните години Toshiba реализира редица обилни триумфи в тази област, в това число създаването на първата в света система за квантово систематизиране на ключове (QKD), основана на чип “, споделя Смит. „ Тази система включва QRNG FIS в 14-пинов пакет вид „ пеперуда “, чийто оптичен излаз трябваше да бъде обвързван с оптична линия към високоскоростен фотодиод на електронна платка “.

Основната цел на неотдавнашните проучвания на екипа на Toshiba беше да се създаде пълнофункционална QRNG, основана на фотонно-интегрирани схеми, които могат да обработват единствено електрически входни и изходни сигнали. Освен това откривателите възнамеряватда приложат QRNG в действителни устройства, с цел да потвърдят успеваемостта му в деяние.

„ Обикновено тези чипове се тестват в следена лабораторна среда благодарение на профилирано съоръжение “, изяснява Смит. „ Този метод затруднява оценката на успеваемостта на тази технология, откакто тя бъде внедрена в действителни системи и разнообразни оперативни среди “.

Смит и сътрудниците му създават компактна печатна платка, в която вграждат основания от тях нов фотонен чип, наименуван „ оптично ентропийно ядро “ (OEC, optical entropy core). OEC има стандартизирана опаковка, сходна на другите електронни чипове, с размери 6 x 6 mm2. Платката, на която е инсталиран, включва електронните модули, които ръководят OEC, както и модулите за разчитане на генерираните от него инцидентни сигнали.

И по този начин, по какъв начин се генерира инцидентният сигнал? Чипът съдържа два лазера, излъчващи оптични импулси със инцидентни етапи, дължащи се на квантовия звук. Тези импулси интерферират между тях, създавайки сигнал с непредсказуем оптичен интензитет, който по-късно се преобразува в инцидентен електрически подтик от високоскоростен детектор. Сигналът от детектора се обработва от платката и се преобразува в инцидентни битове, които могат да се популяризират със свръхвисоки скорости (Gbps).

Основното преимущество на новата QRNG, основана на интегрирана фотоника, е ниската цена на самия фотонен чип, както и опцията той да бъде инсталиран на електронни платки благодарение на стандартизирани техники за сериализация. Това би могло да улесни всеобщото внедряване на QRNG в другите електронни устройства, трансформирайки го в налична и високопроизводителна опция на PRNG.

За да се подсигурява сигурността на крайния първоначален сигнал, QRNG прави инспекции на положението на изхода на OEC, като удостоверява, че той действа вярно, и при нужда автоматизирано поправя параметрите на ръководство на OEC.

Първоначалните проби демонстрираха, че OEC може да работи толкоз надеждно, колкото и другите общоприети електронни съставни елементи.

„ Вградихме платката QRNG в система за систематизиране на квантови ключове (QKD) и я експлоатирахме непрестанно в продължение на 38 дни, като получихме постоянен инцидентен сигнал макар забележителните температурни съмнения “, споделя Смит. „ Този тест показва готовността на нашата QRNG да бъде внедрена в действителни системи и действителни условия на работа. Друг незабравим миг е фактът, че получихме съвсем идентични индикатори за успеваемост от всичките осем тествани платки “.

През 2021 година интернационална група учени създаде профилиран лазер, който може да генерира 254 трилиона инцидентни цифри в секунда, което е над 100 пъти по-бързо от от компютърните генератори на инцидентни цифри. Съответната научна работа бе оповестена в списание Science.

Въпреки че генерирането на инцидентни цифри се прави от дълго време, то става все по-важно, тъй като изчисленията от сходен жанр са в основата на криптографията. С появяването на от ден на ден компютърни устройства в Глобалната мрежа нуждата от доста бързо криптиране, което може да обезпечи надеждна отбрана от хакерите, става все по-важно.

Но новият напълно стилен фотонен чип е забележителна стъпка в тази област.