大规模并行超快随机位的生成：芯片级激光系统

由耶鲁大学，南阳理工大学以及都柏林三一学院的研究人员共同合作，设计了一种芯片级激光二极管，该二极管可以超高速率生成随机位，基于该系统的随机数生成器比现有的同类技术更快，更安全，可以帮助保护依赖互联网交易的用户数据。相关论文发表在《Science》上。

图注，芯片级并行随机位发生器的示意图。（A）具有弯曲端面的多模电泵半导体激光器示意图。它的发射是由两个平行RBG光电探测器阵列进行测量。（B）腔长L = 400 µm，宽度W = 282 µm 的激光器俯视SEM图像，端面半径R = 230 µm。 （C）实验装置示意图。将一个端面上的激光发射成像到条纹相机上，该相机同时记录多个空间位置的激光发射强度的时间变化。

随机数被广泛用于信息安全，密码学，随机建模和量子模拟。随机数有多种用途，例如在网上银行和电子商务等日常流程中生成数据加密密钥和一次性密码（otp），以增强其安全性。物理随机数生成的关键技术挑战是速度和可伸缩性。

为此，一个由科学家组成的国际团队开发了一个系统，它能以比现有技术快上百倍的速度生成随机数，为当今数字互联世界中更快、更便宜、更安全的数据加密铺平了道路。这个随机数发生器系统是由新加坡南洋理工大学、耶鲁大学和都柏林圣三一学院的研究人员联合开发的，由南洋理工大学制造。

该系统利用一个带有特殊沙漏形腔的激光器产生随机图案，这些图案是由光线在腔内相互反射和相互作用形成的。通过读取模式，系统同时生成许多随机数序列。研究人员发现，与雪花一样，由于光线在空腔中如何反射和相互作用的不可预测性，使用该系统生成的两个数字序列并不相同。系统中使用的激光器约有一毫米长，比大多数其他激光器都小。该系统也很节能，可以与任何家用电源插座一起使用，因为它只需要1安培（1A）的电流。研究人员通过两项测试验证了随机数生成器的有效性，其中一项测试由美国国家标准与技术研究所发表。

具体来讲，作为大大加速随机位生成的方案，该方案引入了在特殊设计的腔中许多激光模式的时空干扰。 由量子涨落引起的自发发射会产生随机噪声，使比特流无法预测。该方法不仅可以极大地提高单个通道中的随机比特率，而且还可以提供数百个通道用于同时生成独立的比特流。他们采用许多激光模式的超快速（皮秒）时空干扰来加速空间和时间的发射强度波动，从而大量并行产生超快速随机比特流。这是通过调整广域半导体激光器的几何形状以极大地增加横向激光模式的数量并抑制诸如丝状化之类的动态不稳定性而实现的。为了实现大规模平行的超快RBG，他们大大增加横向激射模态的数量，并强烈抑制发射强度的长期时空相关性。为此，他们调整型腔的几何形状，增加宽度并弯曲端面。高阶横模被有效地限制在这样的腔内，并且通过使顶部金属触点成形，它们与注入的载流子的空间重叠得以增加。研究方法离线后处理可实现每秒250 TB的总比特率，比当前的后处理记录高出两个数量级。以它的速度，这个系统只需要大约12秒钟就可以生成一个随机数体，这个随机数体的大小相当于世界上最大的图书馆——美国国会图书馆的信息量。

研究团队已经证明，南大制造的随机数发生器坚固，紧凑且节能，在安全通信和高性能计算中具有潜在的应用前景。它比现有的同类技术更快、更安全，可以帮助在一个越来越依赖互联网交易的世界里保护用户的数据。未来，该团队正致力于使该技术为实际应用做好准备，方法是将激光器集成到一个紧凑的芯片中，使生成的随机数能够直接输入计算机。