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半导体和电子

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如何用手机制作量子随机数发生器

会有一个应用程序

使用手机进行信用卡交易时,您会感到紧张吗?由于低成本的设备可以为便携式设备带来强大的加密功能,因此您的担忧很快就会成为过去。那’s the aim of 布鲁诺·桑吉内蒂 和瑞士日内瓦大学的同事一起,他们创造了一种量子随机数发生器(QRNG),该发生器使用包括移动电话摄像头在内的低成本电子组件。

现代密码协议要求快速生成真正随机数的序列。这些用于创建“keys”允许个人加密和解密敏感信息,例如密码和银行详细信息。得出这些数字是一项重大的技术挑战,因为计算机是完全确定性的,因此无法创建真正的随机数。密码系统倾向于依靠“pseudo random-number”生成器输出几乎是随机的数字序列。尽管其中一些生成器非常好,但是基于伪随机数的密码系统比使用随机数的系统更容易破解。

通过在本质上随机的物理系统上进行测量,可以生成真正的随机数–例如核的放射性衰变或电子电路中的噪声。但是,现有的测量技术往往非常昂贵或太慢而无法实际使用。例如,保护您的手机需要大约1的生成速率 kbit/s.

计数光子

现在Sanguinetti和同事Anthony Martin,Hugo Zbinden和 尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin) 已使用诺基亚N9智能手机中的8百万像素摄像头创建了可以提供1.25随机数的设备 千兆位/秒该系统利用了相机非常灵敏的事实,可以将其用于计算撞击在其各个像素上的每个光子的数量。光由传统的LED提供,其中电子和空穴结合在一起以产生光子。这是一个量子力学过程,因此在固定时间段内产生的光子数量不是固定的,而是随机的。

调整摄像机和LED,使每个像素检测到约400个像素 光子在短时间内曝光。所有相机像素的光子数在一个“extractor”输出随机数序列的算法。在瑞士的实验中,相机用于创建1.25 千兆位/秒的随机数流。

对任何随机数生成器的担心是,数字可能会受到系统中非量子(经典)效应的可预测影响。例如,这可能导致测量偏差,从而可能使某些数字胜于其他数字。如果潜在的窃听者了解有关生成器的所有信息,则他们原则上可以预测其输出的经典成分。这将使破解系统更加容易。

令人难以置信的随机

但是,考虑到这些偏差后,团队认为用户将不得不产生令人难以置信的10118 随机数,然后它们才会注意到与完全随机序列的偏离。

Sanguinetti告诉 physicsworld.com 他团队的所有组成部分’QRNG可以集成在一块芯片上,该芯片要花费几美元,并且可以轻松地集成到包括移动电话在内的便携式电子设备中。“如果每个人很快就会拥有一种量子技术,就是这样,”他说。 Sanguinetti还为技术公司ID工作 Quantique由Gisin于2001年共同创立,主要生产用于量子和经典加密系统的设备。他说,该公司正在考虑将QRNG进行商业化。

安东尼·莱恩 布里斯托大学的教授将该技术描述为“产生随机数的好方法,因为它利用了电话中已嵌入的技术”。但是,他警告说,“可能有可能基于具有不同噪声特性的光的量子状态来设计某些技巧,而这项工作的作者无疑将拥有解决这些问题的方法。”

Laing还认为,该技术可用于原则上坚不可摧的量子密码系统:“QRNG也可以是量子密钥分发协议的关键组件,在这种情况下,通信各方必须谨慎选择真正的随机方式进行测量。”

QRNG的预印本中描述了 arXiv.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者