Генерация случайных чисел - один из краеугольных камней современных технологий, от шифрования и защиты данных до моделирования сложных систем в науке и экономике. С ростом потребностей в эффективности и надежности происходит непрерывный поиск новых методов создания истинно случайных чисел с максимально высокой скоростью и минимальными ресурсными затратами. Одним из перспективных достижений на этом пути стала разработка микро-светодиодов (micro-LEDs), способных генерировать случайные числа на гигабитных скоростях, обеспечивая при этом компактность и энергоэффективность решений. Эта технология обещает революцию в области квантовой криптографии и станет основой для создания новых поколений генераторов случайных чисел.Микро-светодиоды представляют собой миниатюрные световые источники, которые, в отличие от традиционных LED, имеют размеры в диапазоне от нескольких до сотен микрометров.
Именно благодаря своим малым размерам и особым физическим свойствам они способны проявлять интенсивностные флуктуации спонтанного излучения на квантовом уровне. Эти абсолютно случайные колебания интенсивности света можно использовать как источник истинной случайности, что крайне важно для создания надежных систем генерации случайных чисел, основанных на принципах квантовой механики.Команда исследователей из Саудовской Аравии (KAUST) совместно с учеными из США, включая Университет Калифорнии в Санта-Барбаре, реализовала систему генерации случайных чисел на базе голубых GaN микро-светодиодов с размерами от 5 до 100 микрометров. Устройство демонстрирует выдающуюся скорость генерации случайных чисел - 9,375 Гбит/с, что в десятки раз выше показателей традиционных систем с использованием одиночных фотодетекторов, где скорость зачастую не превышает сотен мегабит в секунду. По словам разработчиков, ключевым преимуществом их подхода является использование интенсивностных флуктуаций, благодаря которым за один цикл выборки удаётся извлекать до шести бит, существенно повышая эффективность генерации.
Одним из значимых факторов, определяющих востребованность подобных генераторов, является их размер и энергопотребление. Микро-светодиоды требуют значительно меньше электроэнергии по сравнению с более громоздкими системами, что делает их идеальными для встраивания непосредственно в чипы и конечные приборы. Помимо этого, упрощенная архитектура фотонных и электронных компонентов снижает стоимость компонентов и способствует массовому производству. Все эти характеристики делают микро-LED генераторы особенно привлекательными для применения в мобильных устройствах, интернет-вещах (IoT), медицинской технике и других сферах, где так важна компактность и надежность.Немаловажно и то, что уровень случайности, создаваемый устройством, был проверен с применением строгих стандартов Национального института стандартов и технологий США (NIST).
Эти тесты признаны золотым стандартом в проверке качества случайности и показывают, что цифровой поток микросветодиодного генератора отвечает всем необходимым требованиям для использования в критически важных системах безопасности и криптографии. Надежность и математическая непредсказуемость данных подтверждают, что этот источник является по-настоящему квантовым и не поддается имитации классическими методами.Развитие этой технологии не останавливается на достигнутом. Уже сейчас исследователи планируют создание двумерных массивов микро-светодиодов для параллельной генерации случайных чисел, что позволит кратно увеличить общую пропускную способность систем. Кроме того, разработка полностью интегрированных решений с миниатюрными фотодетекторами и электронными схемами на одном чипе создаст основу для создание портативных и малогабаритных генераторов.
Такие решения сделают возможным внедрение квантовых генераторов в широком спектре технологий от защищенной связи до финансовых систем и медицинского оборудования.Текущая версия системы требует применения термоэлектрического охлаждения для стабилизации температуры светодиода, а также использования внешних вспомогательных компонентов - усилителей сигнала и осциллографа для считывания и обработки данных. Однако с развитием интегральной фотоники и микроэлектроники предвидится создание автономных устройств с минимальным энергопотреблением, рассчитанных на массовое промышленное производство.История генерации случайных чисел на базе светодиодов уходит далеко в прошлое, однако до недавнего времени такие системы страдали от ограничений по скорости и надежности. Прорыв KAUST и их коллег заключается не только в увеличении пропускной способности, но и в создании более простой и универсальной платформы, которая может быть внедрена в уже существующую экосистему микроэлектронных устройств.
Это открывает многочисленные возможности для разработчиков программного обеспечения и аппаратных систем обеспечить более высокий уровень защиты информационных потоков.Сегодня, когда вопросы кибербезопасности становятся все более актуальными, а объемы данных стремительно растут, требуя мгновенной обработки и передачи, инновационные методы генерации случайных чисел приобретают особое значение. Применение микро-светодиодов в качестве квантового источника случайности служит новым этапом эволюции таких технологий, предлагая решения, которые одновременно удовлетворяют требованиям скорости, компактности и надежности.В заключение, микро-LED генераторы случайных чисел способны кардинально изменить подход к созданию систем шифрования и моделированию случайных процессов. Их высокая скорость, компактность и подтвержденная случайность делают их идеальным выбором для широкого круга приложений, начиная от безопасности защищённых каналов передачи информации и заканчивая сложным научным моделированием.
Развитие и коммерциализация этих технологий в ближайшие годы обещают ускорение цифровых процессов и повышение уровня защиты данных во всём мире. .
