Autor: Ingrid Fadelli
Implementacija razmestivog OEC-a sa integrisanom fotonikom.
Autorska prava: Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01140-0
Pouzdano generisanje slučajnih brojeva postalo je centralna komponenta informacione i komunikacione tehnologije. U stvari, generatori slučajnih brojeva, algoritmi ili uređaji koji mogu da prave nasumične nizove brojeva, sada pomažu da se obezbedi komunikacija između različitih uređaja, proizvedu statistički uzorci i za razne druge primene.
Istraživači iz kompanije Toshiba Europe Ltd. nedavno su razvili novi kvantni generator slučajnih brojeva (QRNG – Quantum Random Number Generator) zasnovan na fotonskom integrisanom kolu koji se može direktno integrisati u elektronske uređaje. Ovaj QRNG, predstavljen u radu objavljenom u časopisu Nature Electronics, može bezbedno i robusno da generiše nasumične brojeve pri neverovatnoj brzini od 2 Gbit s-1.
„Slučajnost je sada vredna roba, jer pokreće skoro sve digitalne protokole koji omogućavaju privatnu komunikaciju“, rekao je Rejmond Smit, viši naučnik i koautor rada, za TechXplore
„Uobičajena upotreba generatora pseudo-slučajnih brojeva (PRNG) predstavlja potencijalnu bezbednosnu pretnju jer su PRNG-ovi samo deterministički algoritmi i ne obezbeđuju istinsku slučajnost. Ovo je posebno kritično za bezbedne komunikacione sisteme.“
Nedavne studije su istakle potencijal generisanja zaista nepredvidivih brojeva koristeći QRNG-ove, generatore slučajnih brojeva koji koriste prirodne procese kvantnog porekla. Smit i njegove kolege u Toshibi eksperimentišu sa ovim tehnikama.
„Prethodni istraživački napori i ideje koje su inspirisale ovaj rad uključuju traganje za pojednostavljenjem hardvera QRNG-a“, rekao je Smit.
„Uobičajeno, QRNG-ovi koriste fotonske komponente kao što su laseri i detektori, koji su glomazni i zahtevaju posebno rukovanje kada su povezani sa elektronikom. Ova složenost čini QRNG-ove izazovnijim za primenu u velikim razmerama i skuplji su. Međutim, tehnologija koja se zove ‘integrisana fotonika’ pomaže u prevazilaženju ovih izazova.“
Integrisana fotonička kola omogućavaju istraživačima da kondenzuju sve centralne optičke komponente u jedan čip koji je veličine samo nekoliko milimetara. Smit i njegove kolege pokušali su da iskoriste integrisane fotoničke tehnologije da stvore fotonsko integrisano kolo (PIC – photonic integrated circuit) koje bi moglo da pojednostavi složenost njihovog QRNG metoda, olakšavajući njegovu buduću primenu velikih razmera.
„Toshiba je tokom poslednjih godina napravila veliki broj napredaka u PIC tehnologiji, uključujući razvoj prvog na svetu sistema za distribuciju kvantnih ključeva (QKD – quantum key distribution) zasnovanog na čipu“, rekao je Smit.
„Ovaj QKD sistem je uključio QRNG PIC u 14-pinski leptir paket čiji je optički izlaz morao da se poveže vlaknima sa fotodiodom velike brzine na QRNG elektronskoj ploči.”
Primarni cilj nedavne studije Toshibinog tima bio je razvoj potpunog QRNG-a zasnovanog na PIC-u sa isključivo elektronskim ulazima i izlazima. Pored toga, istraživači su planirali da primene QRNG na stvarnim uređajima kako bi potvrdili njegovu efikasnost.
„Obično se PIC-ovi testiraju u kontrolisanim uslovima korišćenjem specijalizovane laboratorijske opreme“, objasnio je Smit. „Ovaj pristup otežava procenu performansi te tehnologije kada se jednom primeni u stvarnim sistemima, u stvarnim uslovima rada.”
Smit i njegove kolege dizajnirali su kompaktnu štampanu ploču koja uključuje PIC koji su razvili, nazvan optičko entropijsko jezgro (OEC). OEC ima standardno pakovanje koje podseća na ono drugih elektronskih čipova i ima dimenzije 6 x 6 mm2. Ploča u koju je ugrađena sadrži elektronske module koji pokreću PIC, kao i module koji čitaju generisane nasumične signale.
„Dakle, kako se proizvodi nasumični signal?“ kaže Smit. „PIC se sastoji od dva lasera koji zbog kvantnog šuma emituju optičke impulse nasumičnih faza. Ovi impulsi interferiraju jedan sa drugim, generišući impuls nasumičnog optičkog intenziteta, koji se zatim pretvara u nasumični strujni signal pomoću brzog detektora. Ploča obrađuje signal detektora i pretvara ga u nasumične bitove koji se mogu distribuirati veoma velikom brzinom (Gb/s).“
Primarna prednost novog integrisanog QRNG-a zasnovanog na fotonici je da je njegov osnovni PIC isplativ i da se može sastaviti na elektronskim pločama pomoću konvencionalnih metoda serijskog sastavljanja. Ovo bi moglo da olakša njegovu buduću masovnu primenu u različitim elektronskim uređajima, čineći ga konkurentnijom alternativom PRNG-ovima i sa boljim performansama.
„Napravili smo osam ploča da bismo proučavali varijabilnost performansi na različitim uređajima“, rekao je Smit. „Štaviše, da bi osigurao bezbednost svog konačnog izlaza, QRNG vrši testove zdravlja na OEC-ovim izlazima kako bi proverio da li kontinuirano radi kako se očekuje, automatski prilagođava parametre upravljanja OEC-a ako je potrebno, kao i izračunava sigurnu stopu proizvodnje koju može postići u realnom vremenu. Ako ova stopa padne, QRNG može automatski da prilagodi naknadnu obradu kako bi osigurao da konačni rezultat ostane nepredvidiv.
Dok se PIC-ovi uglavnom testiraju izolovano korišćenjem specijalizovane opreme, PIC razvijen u Toshibi može se neprimetno integrisati sa elektronikom i testirati u realnim okruženjima. Početni testovi su bili veoma obećavajući i pokazali su da OEC može da radi pouzdano koliko i druge standardne elektronske komponente.
„Ugradili smo QRNG ploču u QKD sistem i radili sa njom neprekidno 38 dana, proizvodeći stabilan nasumični signal uprkos značajnim temperaturnim fluktuacijama“, rekao je Smith. „Ovaj test pokazuje spremnost našeg QRNG-a za primenu u stvarnim sistemima, pod stvarnim radnim uslovima. Još jedna značajna stvar je da smo dobili veoma slične performanse sa svih osam ploča, što je ključno za uspostavljanje osnovne linije performansi.“
Nedavna studija ovog tima istraživača predstavlja ključni napredak u razvoju integrisanih QRNG-ova baziranih na fotonici i mogla bi doprineti njihovoj budućoj masovnoj primeni. Do sada su Smit i njegove kolege uspeli da postignu brzinu nasumičnog generisanja bitova do 8 Gbit/s, ali se nadaju da će uskoro dalje povećati ovu brzinu.
„To će ove QRNG-ove učiniti privlačnim za simulacije i za računarstvo visokih performansi“, dodao je Smit. „Takođe planiramo da i dalje povećavamo robusnost naših QRNG-ova kako bismo osigurali da oni mogu pouzdano da rade u slučajevima upotrebe u stvarnom svetu.“
Izvor: TechXplore