撰稿 | Charles（巴黎綜合理工學(xué)院，博士生）

隨機數(shù)（Random numbers）的概念最早可以追溯到5000年之前。在古老的中東，印度和中國，擲距骨，雙面投擲棒和骰子等早期人工隨機數(shù)產(chǎn)生器已經(jīng)被創(chuàng)造出來。

圖1：隨機數(shù)藝術(shù)效果圖

而在當(dāng)今數(shù)字信息化的世界里，隨機數(shù)仍然起著舉足輕重的作用。包括加密安全通信，云計算，區(qū)塊鏈和量子密鑰分發(fā)等最新技術(shù)，其性能和可靠性正是基于產(chǎn)生大量隨機數(shù)的能力。此外，在機器學(xué)習(xí)中，蒙特卡洛數(shù)值方法也有隨機數(shù)的影子。

到目前為止，隨機數(shù)通常是通過使用在計算機上的軟件算法生成的，稱為“偽隨機”。它們實際上是以特定數(shù)字或“種子”開頭的復(fù)雜程式，于是產(chǎn)生的序列之間不可避免地存在關(guān)聯(lián)，即表明數(shù)字不是均勻隨機的。所以一旦黑客攻擊者知道“種子”或算法的任何部分，他們就可以馬上輕松破譯并預(yù)測出未來的序列。

需要解決的問題是：這些物理隨機數(shù)生成器的速率不是很快。通常，它們通常只生成一個比特流，缺少并行產(chǎn)生的能力，因此無法快速地生成大量隨機數(shù)。

而光子器件在這個領(lǐng)域展示出巨大的潛力，因為其具有高速處理、芯片級的器件尺寸和極低功耗等優(yōu)點。

為此，耶魯大學(xué)曹蕙教授（美國國家科學(xué)院院士，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士）團隊與其合作者利用簡單的激光器建造出了至今為止最快的隨機數(shù)生成器。并且該技術(shù)可以生產(chǎn)出小到可以裝進一個計算機芯片里的設(shè)備。其速率比現(xiàn)有技術(shù)快百倍以上，從而為當(dāng)前的數(shù)字化社會中更快、更具成本效益、更安全的數(shù)據(jù)加密打開了大門。

該結(jié)果以 Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser 為題發(fā)表在科學(xué)雜志 Science。

圖2：快速激光芯片生成隨機數(shù)。

為了獲得真正的隨機性從而使加密更安全，研究人員轉(zhuǎn)向了量子隨機性。物理定律證實某些實驗測量的結(jié)果（例如放射性原子衰變）是完全隨機的，而更加常用的方法是利用激光器發(fā)射光子時的強度波動。在以往典型的激光設(shè)備旨在最大限度地減少這些波動，以產(chǎn)生強度穩(wěn)定的光。但對于隨機數(shù)生成，研究人員的目標(biāo)正好相反希望強度可以隨機波動，從而可以將不同強度進行數(shù)字化以生成隨機數(shù)。

由于通常的激光器是單模的，只能在單一頻率下產(chǎn)生類似高斯光束的光斑。研究人員創(chuàng)新性地通過使用同時發(fā)射多種激光模式的廣域激光器（broad area laser）來克服這一瓶頸。

眾所周知，由于光和激光介質(zhì)的非線性相互作用，常見的廣域激光器在空間和時間上表現(xiàn)出不規(guī)則的強度波動。而正是這種相位和幅度快速變化，干涉圖案經(jīng)歷了復(fù)雜的舞動、扭轉(zhuǎn)和忽明忽暗。再經(jīng)由快速相機將其記錄下來，使不同位置的強度波動數(shù)字化以并行生成許多隨機比特流。最終這些比特流會被轉(zhuǎn)換為隨機數(shù)。

圖3：基于廣域激光器的超快隨機數(shù)產(chǎn)生器。為了生成隨機比特流，檢測器上相同位置不同時間的強度相差約。這樣便產(chǎn)生了1或0的比特流，然后與另一個點的比特流進行異或 (XOR) 邏輯運算。如果兩個輸入不同，則 XOR 運算會生成1，如果兩個輸入相同，則生成0。

對于一個優(yōu)秀的激光隨機數(shù)產(chǎn)生器，如何設(shè)計其激光光腔，以便最小化空間和時間相關(guān)性是重中之重。

研究人員首次介紹一種特殊的腔體形狀。在進行了大量的數(shù)值建模后，他們選擇了蝴蝶結(jié)形狀并精確地微制造了樣本。這樣的設(shè)計使光子在蝴蝶結(jié)的彎曲壁之間反彈多次，然后作為散射光束出來，顯著地增加了激光模式的數(shù)量，卻又避免了它們的鎖定，從而將空間和時間相關(guān)性分別降低到1.5μm和2.8ps。

圖4：（A）和（D）常見的Fabry-Perot腔激光器和特殊設(shè)計的蝴蝶結(jié)光腔激光器。
（B）和（E）對應(yīng)不同激光器發(fā)射強度在空間和時間的展示，
（C）和（F）表示發(fā)射強度的時空相關(guān)函數(shù)，
（F）顯示其沒有長程時空相關(guān)性。

通過努力，他們實現(xiàn)了每秒250Tb速率的大規(guī)模并行、超快的激光隨機位生成器，比目前最快的對應(yīng)系統(tǒng)高兩個數(shù)量級以上。

憑借如此速度，該設(shè)備只需 12 秒即可生成一系列隨機數(shù)，其數(shù)量相當(dāng)于世界上最大的圖書館——美國國會圖書館中的可用信息量。這樣的設(shè)備長度僅有1毫米，并且非常節(jié)能，只需要1A左右的電流。

圖5：蝴蝶結(jié)光腔可以制造出一道強度激光束，其強度隨機波動。

曹蕙教授將蝴蝶結(jié)光腔比作小提琴，小提琴專門用于放大聲音并與許多聲頻共振。而同樣地，此類光腔充當(dāng)光波的諧振器進而放大許多激光模式。

曹蕙教授表示：“這項技術(shù)確實為如何更快地生成隨機數(shù)開辟了一條新途徑，而我們還沒有達(dá)到極限。如果使用更簡單的光線探測器取代高速照相機，就可以讓設(shè)備變得更小。這樣，就可能最終制造出單個計算機芯片大小的設(shè)備，這可能會帶來一些實際應(yīng)用，例如在手機上進行加密的技術(shù)?！?/strong>

論文信息

Kim, K., et al. (2020) Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser. Science.

論文地址

https://doi.org/10.1126/science.abc2666

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編輯 | 趙陽

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