激光能以每秒250万亿比特的速度生成量子随机数，以此原理开发的设备小到可以塞进芯片里。
研究人员利用简单的激光器建造出了至今为止最快的随机数生成器。它利用的是光强度的波动来生成随机性——随机性在数据加密和科学模拟中是梦寐以求的资源——并且该技术可以生产出小到可以装进一个计算机芯片里的设备。
真随机性其实很难获得。传统计算机的算法可以产生看似随机的数字序列，但是这些数字序列慢慢就会出现某种模式数据生成器，导致序列可以从某种程度上被预测，并出现解密上的漏洞。
领结形的半导体（扫描电子显微镜成像）可以制造出一道强度激光束，其强度随机波动。来源：Kyungduk Kim
为了让加密更为安全，研究人员将眼光转向了量子力学——物理学原理能保证某些测量结果是真随机的，例如某个放射性原子衰变的时间。
引入量子随机性的一种常见办法是利用激光器中材料放出光子时的波动。通常的激光设备在设计时需要最小化扰动以产生光强稳定的激光：这类设备会让光波在材料内部反弹，以迫使原子同步产生更多光子。
但是要想产生随机数的话，研究人员就要反其道而行之。“我们想要强度随机波动，这样就可以将光强度数字化以产生随机数。”耶鲁大学的应用物理学家曹蕙说。
精简装置
曹蕙的团队将激光器的材料——一个半透明的半导体——做成了领结的形状。光子会在领结的曲线边缘间反弹几次，然后变成散射状的光线释放出来。团队接下来就能用一台超快速相机捕捉光线。他们记录了254个独立的像素上的光输出，这些加起来就生成了大约每秒250万亿个随机比特，用频率描述就是250太赫兹（terahertz）。这比此前一次只能记录一个像素的设备要快好几个数量级。论文于2月25日发表于《科学》上[1]。
这项发明“让随机数生成器的表现跨越了一大步”，美国国家标准与技术研究院的物理学家Krister Shalm说。
现在最快的计算机可以达到千兆赫（gigahertz）的时钟速度，这还远远不足以让曹蕙这台设备使出全力。如果使用更简单的光线探测器取代高速照相机，就可以让设备变得更小。这样数据生成器，就可能最终制造出单个计算机芯片大小的设备，曹蕙说。这可能会带来一些实际应用，例如在手机上进行加密的技术。
参考文献：
1.Kim, K. et al. Science 371, 948–952 (2021).
原文以This is the fastest random-number generator ever built标题发表在 2021年3月2日的《自然》的新闻版块上
© nature
doi:10.1038/d41586-021-00562-6
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