Các nhà nghiên cứu từ Saudi Arabia và Hoa Kỳ đã chứng minh rằng những LED siêu nhỏ có thể tạo ra số ngẫu nhiên với tốc độ lên tới 9,375 gigabit mỗi giây. Đột phá này đã khơi mào một cuộc thảo luận thú vị trong cộng đồng công nghệ về việc liệu tính ngẫu nhiên dựa trên lượng tử có thực sự mang lại lợi thế so với các phương pháp truyền thống hay không.
Nhóm nghiên cứu từ KAUST và các tổ chức khác đã sử dụng micro-LED gallium nitride ( GaN ) màu xanh dương có kích thước từ 5 đến 100 micrometer. Những thiết bị siêu nhỏ này tạo ra số ngẫu nhiên bằng cách đo các dao động cường độ trong đầu ra ánh sáng của chúng - một quá trình có gốc rễ từ cơ học lượng tử.
Thông số kỹ thuật hiệu suất:
- Tốc độ tạo: 9,375 Gbit/s
- Kích thước micro-LED được thử nghiệm: từ 5×5 µm² đến 100×100 µm²
- Dòng điện điều khiển: từ 0,5 đến 100 mA
- Số bit trích xuất mỗi chu kỳ lấy mẫu: 6 bit (so với 2 bit của hệ thống đơn photon)
- Vật liệu: Gallium nitride ( GaN ) xanh dương
 |
|---|
| Thiết bị micro-LED tiên tiến đại diện cho đỉnh cao của công nghệ tạo số ngẫu nhiên |
Tốc độ so với phương pháp truyền thống tạo ra sự phấn khích trong cộng đồng
Cộng đồng công nghệ đặc biệt hứng thú với sự cải thiện tốc độ đáng kể mà công nghệ này mang lại. Trong khi các bộ tạo số ngẫu nhiên dựa trên LED trước đây thường chỉ đạt tối đa vài trăm megabit mỗi giây, phương pháp mới này trích xuất sáu bit mỗi chu kỳ lấy mẫu thay vì hai bit thông thường từ các hệ thống phát hiện đơn photon.
Tuy nhiên, một số thành viên cộng đồng đặt câu hỏi về việc liệu bản chất lượng tử của phương pháp này có thực sự quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hay không. Cuộc thảo luận tiết lộ một sự phân chia thú vị: trong khi tính ngẫu nhiên lượng tử về mặt lý thuyết ngẫu nhiên hơn vì nó không thể dự đoán được về bản chất, các nguồn nhiễu cổ điển có thể hiệu quả tương tự cho việc sử dụng trong thế giới thực vì dù sao chúng ta cũng không bao giờ có thể dự đoán chúng một cách hoàn hảo.
Lưu ý: Gallium nitride ( GaN ) là một vật liệu bán dẫn thường được sử dụng trong LED xanh dương và thiết bị điện tử công suất cao.
So sánh với các phương pháp trước đây:
- RNG truyền thống dựa trên LED: Tối đa vài trăm Mbit/s
- Hệ thống phát hiện đơn photon: 2 bit trên mỗi chu kỳ lấy mẫu
- Phương pháp Micro-LED: 6 bit trên mỗi chu kỳ lấy mẫu ở tốc độ 9.375 Gbit/s
- Tất cả các cấu hình được thử nghiệm đều vượt qua tiêu chuẩn ngẫu nhiên của NIST
 |
|---|
| Các thiết bị công nghệ cao làm nổi bật những tiến bộ trong công nghệ tạo số ngẫu nhiên |
Ứng dụng thực tế và thách thức tích hợp
Nghiên cứu này giải quyết nhu cầu ngày càng tăng về tạo số ngẫu nhiên nhanh và đáng tin cậy trong bảo mật dữ liệu, mã hóa và mô phỏng máy tính. Các ứng dụng hiện tại yêu cầu các bộ tạo đủ nhỏ để tích hợp chip trong khi duy trì tốc độ tạo cao.
Các cuộc thảo luận trong cộng đồng nhấn mạnh rằng ngay cả vài kilobit mỗi giây tính ngẫu nhiên thực sự thường đủ để khởi tạo các hệ thống mật mã. Điều này đặt ra câu hỏi về việc liệu việc tạo tốc độ cao như vậy có cần thiết hay không, mặc dù một số ứng dụng có thể yêu cầu tính ngẫu nhiên thực sự thay vì các lựa chọn thay thế giả ngẫu nhiên vì lý do bảo mật hoặc quy định.
Các nhà nghiên cứu dự định tăng cường hiệu suất hơn nữa bằng cách tạo ra các mảng 2D của micro-LED để xử lý song song và phát triển các hệ thống tích hợp hoàn toàn thay vì sử dụng các thành phần riêng biệt.
Các thành phần hệ thống:
- Micro-LED GaN với bộ làm mát nhiệt điện để ổn định nhiệt độ
- Đầu dò quang điện tử lở tuyết
- Bộ khuếch đại điện tử
- Dao động ký lấy mẫu
- Tất cả các thành phần hiện tại đều rời rạc (việc tích hợp được lên kế hoạch cho các phiên bản tương lai)
 |
|---|
| Tiến bộ và đổi mới trong công nghệ tạo số ngẫu nhiên là chìa khóa cho các ứng dụng tương lai |
Độ tin cậy kỹ thuật và tiêu chuẩn kiểm tra
Tất cả micro-LED được thử nghiệm, bất kể kích thước hay dòng điện hoạt động, đều vượt qua thành công các bài kiểm tra tính ngẫu nhiên nghiêm ngặt được phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ ( NIST ) - tiêu chuẩn vàng để xác thực các bộ tạo số ngẫu nhiên.
Hệ thống hiện tại sử dụng các thành phần rời rạc bao gồm micro-LED GaN ổn định nhiệt độ, detector quang điện tử lũy thừa và bộ khuếch đại điện tử. Mục tiêu tiếp theo của nhóm là tích hợp tất cả các thành phần vào một chip duy nhất để triển khai thực tế.
Phát triển này đại diện cho một bước tiến đáng kể hướng tới việc tạo số ngẫu nhiên nhỏ gọn, hiệu quả về chi phí có thể tìm thấy ứng dụng trong mọi thứ từ an ninh mạng đến máy tính khoa học, mặc dù cộng đồng tiếp tục tranh luận về việc liệu các lợi thế lượng tử có chuyển đổi thành lợi ích trong thế giới thực hay không.
Tham khảo: Micro-LEDs boost random number generation