Los investigadores han demostrado que un dispositivo basado en un chip que mide un milímetro cuadrado podría usarse para generar números aleatorios basados ​​en el cuántico a velocidades de gigabit por segundo. El pequeño dispositivo requiere poca energía y podría habilitar generadores de números aleatorios independientes o incorporarse en computadoras portátiles y teléfonos inteligentes para ofrecer cifrado en tiempo real.

"Si bien parte de la electrónica de control aún no está integrada, el dispositivo que diseñamos integra todos los componentes ópticos necesarios en un chip, "dijo el primer autor Francesco Raffaelli, Universidad de Bristol, Reino Unido. "Usar este dispositivo por sí solo o integrarlo en otros dispositivos portátiles sería muy útil en el futuro para hacer que nuestra información sea más segura y para proteger mejor nuestra privacidad".

Los generadores de números aleatorios se utilizan para cifrar los datos transmitidos durante las transacciones digitales, como comprar productos en línea o enviar un correo electrónico seguro. Los generadores de números aleatorios de hoy se basan en algoritmos informáticos, lo que puede dejar los datos vulnerables si los piratas informáticos descubren el algoritmo utilizado.

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , los investigadores informan de un generador cuántico de números aleatorios basado en fotones emitidos aleatoriamente por un láser de diodo. Debido a que la emisión de fotones es inherentemente aleatoria, es imposible predecir los números que se generarán.

"En comparación con otros generadores de números aleatorios cuánticos integrados demostrados recientemente, la nuestra puede lograr tasas de generación muy altas con potencias ópticas relativamente bajas, ", dijo Raffaelli." Usar menos energía para producir números aleatorios ayuda a evitar problemas como el exceso de calor en el chip ".

Fotónica de silicio

El nuevo chip fue habilitado por desarrollos en la tecnología fotónica de silicio, que utiliza las mismas técnicas de fabricación de semiconductores que se utilizan para fabricar chips de computadora para fabricar componentes ópticos en silicio. Ahora es posible fabricar guías de ondas en silicio que pueden guiar la luz a través del chip sin perder la energía de la luz en el camino. Estas guías de ondas se pueden integrar en un chip con electrónica y detectores integrados que operan a velocidades muy altas para convertir las señales de luz en información.

El nuevo generador de números aleatorios basado en chips aprovecha el hecho de que, en determinadas condiciones, un láser emitirá fotones de forma aleatoria. El dispositivo convierte estos fotones en energía óptica utilizando un dispositivo diminuto llamado interferómetro. Fotodetectores muy pequeños integrados en el mismo chip luego detectan la potencia óptica y la convierten en un voltaje que se puede convertir en números aleatorios.

"A pesar de los avances en la fotónica de silicio, todavía hay luz perdida dentro del chip, lo que hace que llegue muy poca luz a los detectores, ", dijo Raffaelli." Esto nos obligó a optimizar todos los parámetros con mucha precisión y diseñar una electrónica de bajo ruido para detectar la señal óptica dentro del chip ".

El nuevo dispositivo basado en chip no solo brinda ventajas de portabilidad, sino que también es más estable que el mismo dispositivo fabricado con ópticas a granel. Esto se debe a que los interferómetros son muy sensibles a las condiciones ambientales como la temperatura y es más fácil controlar la temperatura de un chip pequeño. También es mucho más fácil reproducir con precisión miles de chips idénticos utilizando la fabricación de semiconductores, mientras que reproducir la precisión necesaria con ópticas a granel es más difícil.

Probando el chip

Para probar experimentalmente su diseño, los investigadores hicieron que una fundición fabricara el chip generador de números aleatorios. Después de caracterizar el desempeño óptico y electrónico, lo usaron para la generación de números aleatorios. Ellos estiman una tasa de generación de aleatoriedad potencial de casi 2.8 gigabits por segundo para su dispositivo, que sería lo suficientemente rápido como para permitir el cifrado en tiempo real.

"Demostramos la generación de números aleatorios utilizando aproximadamente una décima parte de la energía utilizada en otros dispositivos generadores de números aleatorios cuánticos basados ​​en chips, ", dijo Raffaelli." Nuestro trabajo muestra la viabilidad de este tipo de plataforma integrada ".

Aunque el chip que contiene los componentes ópticos tiene solo un milímetro cuadrado, los investigadores utilizaron un láser externo que proporciona la fuente de aleatoriedad y herramientas electrónicas y de medición que requerían una mesa óptica. Ahora están trabajando para crear un dispositivo portátil del tamaño de un teléfono móvil que contenga tanto el chip como los componentes electrónicos necesarios.