隨機數：更快，豈止于小

2021-07-29 10:24

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | Charles（巴黎綜合理工學院，博士生）

隨機數（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產生器已經被創造出來。

圖1：隨機數藝術效果圖

而在當今數字信息化的世界里，隨機數仍然起著舉足輕重的作用。包括加密安全通信，云計算，區塊鏈和量子密鑰分發等最新技術，其性能和可靠性正是基于產生大量隨機數的能力。此外，在機器學習中，蒙特卡洛數值方法也有隨機數的影子。

到目前為止，隨機數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字或“種子”開頭的復雜程式，于是產生的序列之間不可避免地存在關聯，即表明數字不是均勻隨機的。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測出未來的序列。

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

而光子器件在這個領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點。

為此，耶魯大學曹蕙教授（美國國家科學院院士，美國藝術與科學院院士）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生成器。并且該技術可以生產出小到可以裝進一個計算機芯片里的設備。其速率比現有技術快百倍以上，從而為當前的數字化社會中更快、更具成本效益、更安全的數據加密打開了大門。

該結果以 Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser 為題發表在科學雜志 Science。

圖2：快速激光芯片生成隨機數。

為了獲得真正的隨機性從而使加密更安全，研究人員轉向了量子隨機性。物理定律證實某些實驗測量的結果（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射光子時的強度波動。在以往典型的激光設備旨在最大限度地減少這些波動，以產生強度穩定的光。但對于隨機數生成，研究人員的目標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字化以生成隨機數。

由于通常的激光器是單模的，只能在單一頻率下產生類似高斯光束的光斑。研究人員創新性地通過使用同時發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出不規則的強度波動。而正是這種相位和幅度快速變化，干涉圖案經歷了復雜的舞動、扭轉和忽明忽暗。再經由快速相機將其記錄下來，使不同位置的強度波動數字化以并行生成許多隨機比特流。最終這些比特流會被轉換為隨機數。