Квантовая генерация

Генераторы случайных чисел есть у каждого компьютера и многих других устройств. Без них не работают важные программы, необходимые для научных исследований, задач программирования, криптографии и даже для индустрии азартных игр. Однако компьютеры генерируют не случайные, а псевдослучайные последовательности чисел: отправной точкой для соответствующих алгоритмов служит число-затравка, и при этом каждая такая затравка дает вполне конкретный числовой ряд. Поэтому по набору сгенерированных чисел искушенный профессионал может затравку вычислить и всю последовательность вскрыть. 
В результате возникает угроза безопасности базам данных и информационным системам разного назначения. Вот почему задача получить действительно случайные последовательности, которые невозможно воспроизвести, стоит весьма остро.

Чего только ученые не придумывают в качестве первоисточника случайности. Кто-то пытается оцифровывать дробовой шум резистора, кто-то синтезировать молекулы ДНК. На этом можно было бы даже делать деньги. Так, герой романа Станислава Лема «Глас Господа» продавал случайные числа, полученные из шума детектора космических нейтрино. Казалось бы, космический сигнал — полная гарантия случайности, ан нет: как это бывает в жизни, а не только в романах, действительность оказалась изощреннее физической теории. В этом космическом фоне был найден повторяющийся сигнал, транслируемый таким образом неизвестно кем на всю Вселенную. Этическим и эпистемологическим проблемам, связанным с этим сигналом, и посвящен роман. Практический же вывод таков: всегда есть шанс, что совершенно случайная величина окажется неслучайной.

Не исключено, что эту идею великого футуриста вскоре на собственном опыте проверят физики. Ученые физического факультета Университета Брауна под руководством доктора Ван Кана (Kang Wang) и при участии декана факультета Сяо Гана (Gang Xiao) построили принципиально новый тип генератора случайных чисел: он работает на квантовых возбуждениях. А их параметры и есть сама случайность.

Принцип работы нового электронного устройства родился при изучении скирмионов, открытых менее десяти лет назад. Это квазичастицы — элементарные возбуждения двумерной сплошной среды, магнитные вихри в ней; они возникают под воздействием электромагнитных полей в тонких пленках. Считается, что скирмионы получат широкое применение в вычислительной технике следующего поколения, основанной на спинтронике.

Скирмионы очень устойчивы и свободно перемещаются вдоль пленки, если ее кристаллическая решетка идеальна. Однако авторам новой работы удалось введением в магнитную пленку примесей остановить их, локализовать. Закрепленный у примесного центра вихрь все время меняется в размерах, и происходит это случайным образом. Оказалось, что это отличный генератор случайных чисел: поведение скирмионов можно оцифровать, измеряя изменения электрического напряжения на пленке. Концентрацию дефектов ученым еще предстоит оптимизировать, однако экспериментальные оценки показывают: прибор способен выдать рекордные десять миллионов случайных чисел в секунду.

(Nature Communications,13,1, 2022 - полный текст)