Os pesquisadores mostraram que um dispositivo baseado em chip medindo um milímetro quadrado poderia ser usado para gerar números aleatórios baseados em quantum em velocidades de gigabit por segundo. O pequeno dispositivo requer pouca energia e pode habilitar geradores de números aleatórios autônomos ou ser incorporado a laptops e smartphones para oferecer criptografia em tempo real.

"Embora parte da eletrônica de controle ainda não esteja integrada, o dispositivo que projetamos integra todos os componentes ópticos necessários em um chip, "disse o primeiro autor Francesco Raffaelli, Universidade de Bristol, Reino Unido. "Usar este dispositivo sozinho ou integrá-lo a outros dispositivos portáteis seria muito útil no futuro para tornar nossas informações mais seguras e proteger melhor nossa privacidade."

Os geradores de números aleatórios são usados ​​para criptografar os dados transmitidos durante as transações digitais, como a compra de produtos online ou o envio de um e-mail seguro. Os geradores de números aleatórios de hoje são baseados em algoritmos de computador, o que pode deixar os dados vulneráveis ​​se os hackers descobrirem o algoritmo usado.

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , os pesquisadores relatam um gerador de número aleatório quântico baseado em fótons emitidos aleatoriamente por um laser de diodo. Como a emissão de fótons é inerentemente aleatória, é impossível prever os números que serão gerados.

"Em comparação com outros geradores quânticos de números aleatórios integrados demonstrados recentemente, o nosso pode atingir taxas de geração muito altas com potências ópticas relativamente baixas, "disse Raffaelli." Usar menos energia para produzir números aleatórios ajuda a evitar problemas como excesso de calor no chip. "

Fotônica de silício

O novo chip foi habilitado por desenvolvimentos na tecnologia de fotônica de silício, que usa as mesmas técnicas de fabricação de semicondutores usadas para fazer chips de computador para fabricar componentes ópticos em silício. Agora é possível fabricar guias de onda em silício que podem guiar a luz através do chip sem perder a energia da luz ao longo do caminho. Esses guias de onda podem ser integrados em um chip com eletrônicos e detectores integrados que operam em velocidades muito altas para converter os sinais de luz em informações.

O novo gerador de números aleatórios baseado em chip tira vantagem do fato de que, sob certas condições, um laser emitirá fótons aleatoriamente. O dispositivo converte esses fótons em potência óptica usando um dispositivo minúsculo chamado interferômetro. Fotodetectores muito pequenos integrados no mesmo chip detectam a potência óptica e convertem-na em uma voltagem que pode ser transformada em números aleatórios.

"Apesar dos avanços na fotônica de silício, ainda há luz perdida dentro do chip, o que faz com que muito pouca luz chegue aos detectores, "disse Raffaelli." Isso exigiu que otimizássemos todos os parâmetros com muita precisão e projetássemos componentes eletrônicos de baixo ruído para detectar o sinal óptico dentro do chip. "

O novo dispositivo baseado em chip não só traz vantagens de portabilidade, mas também é mais estável do que o mesmo dispositivo feito com ótica em massa. Isso ocorre porque os interferômetros são muito sensíveis às condições ambientais, como temperatura, e são mais fáceis de controlar a temperatura de um pequeno chip. Também é muito mais fácil reproduzir com precisão milhares de chips idênticos usando a fabricação de semicondutores, ao passo que reproduzir a precisão necessária com ótica em massa é mais difícil.

Testando o chip

Para testar experimentalmente seu design, os pesquisadores fizeram uma fundição fabricar o chip gerador de número aleatório. Após caracterizar o desempenho ótico e eletrônico, eles o usaram para geração de números aleatórios. Eles estimam uma taxa potencial de geração de aleatoriedade de quase 2,8 gigabits por segundo para seu dispositivo, o que seria rápido o suficiente para permitir a criptografia em tempo real.

"Demonstramos a geração de números aleatórios usando cerca de um décimo da energia usada em outros dispositivos geradores de números aleatórios quânticos baseados em chip, "disse Raffaelli." Nosso trabalho mostra a viabilidade desse tipo de plataforma integrada. "

Embora o chip contendo os componentes ópticos tenha apenas um milímetro quadrado, os pesquisadores usaram um laser externo que fornece a fonte de aleatoriedade e ferramentas eletrônicas e de medição que exigiam uma mesa óptica. Eles agora estão trabalhando para criar um dispositivo portátil do tamanho de um telefone celular que contém o chip e os componentes eletrônicos necessários.