随机数发生器的突破性进展，保障数字时代的安全性

作者/文龙

在当今数字世界中，随机数被广泛应用于日常的生产生活中，如在线银行和电子商务中生成数据加密密钥和一次性密码（OTP），以增强其安全性。

由新加坡南洋理工大学、耶鲁大学和都柏林三一学院的研究人员组成的国际科学家团队联合开发了一种激光系统，该系统生成随机数的速度比现存技术快一百倍，为更快、更安全的数据加密铺平了道路。

相关研究结果于2月26日以《芯片级激光器超快速生成大规模并行随机比特》（Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser）为题发表在《科学》（Science）杂志上。

随机性是数据加密科学等应用领域中令人垂涎的资源，真正的随机性很难得到。常规计算机中的算法可能在最初会产生似乎是随机的数字序列，但随着时间的推演，这些序列就会显示出一定的模式，这使得随机数列至少部分可预测，容易被破解。

因此，研究人员转向了量子力学。在量子力学中，物理学定律保证了某些测量的结果是真正随机的，例如放射性原子的衰变。

该团队将一种半透明的半导体材料制成领结形状，使得光子在沙漏形腔体中不断反射并相互作用形成随机强度的光波。

「我们希望光强随机波动，这样就可以将其数字化用于生成随机数，」耶鲁大学应用物理学家曹蕙说。原有的激光设备旨在最大程度地减少光子的波动，以产生稳定强度的光。但对于随机数的产生来说，目标恰恰相反。

图示：系统记录由激光束反射形成的光图案，并由此生成一系列随机数。（来源：NTU）

实验使用超快相机对这些光线进行捕捉，记录了254个独立像素的光信号输出。通过模式读取，这些像素以每秒共约250兆比特的速率产生随机位，比当前基于计算机的随机数生成器快100倍以上。

研究人员使用两项测试验证了随机数生成器的有效性，其中一项测试是由美国国家标准与技术研究院发布的。他们表示，由于光线在腔体中的反射和相互作用的方式具有不可预测的性质，因此使用该系统生成的任意两个数字序列都不相同。

南洋理工大学电气与电子工程学院、物理与数学科学学院以及光子学研究所的王岐捷教授说：「虽然当前计算机上运行的随机数发生器既便宜又有效，但是它们很容易受到攻击，因为如果黑客发现了用于生成随机数的算法，便可以预测未来的数字序列；我们的系统则更安全，因为它使用的是不可预测的方法来生成随机数，因此即使是拥有相同设备的人也不会产生重复。」

图示：王岐捷教授与其研发的激光系统原型合影。（来源：NTU）

这套激光系统的共同设计者、NTU物理与数学科学学院的研究员Zong Yongquan博士是说：「我们的系统超越了当前的随机数发生器，因为该方法可以以更快的速度同时生成更多的随机序列信息。」

该激光系统只需大约12秒钟即可生成一个随机数主体，该主体包含的信息量相当于世界上最大的图书馆——美国国会图书馆的信息量。

系统中使用的激光器长约一毫米，比大多数激光器要小。它还具有很高的能效，仅需一安培（1A）的电流就可工作，家用电源插座即可为它供电。

美国国家标准与技术研究院的物理学家克里斯特·沙尔姆（Krister Shalm）指出，这项发明「代表了随机数发生器性能上的重大飞跃」。

目前，该团队正在将这套激光系统集成到紧凑型芯片中，使产生的随机数能够直接输入到计算机中。一旦完成，该技术就可直接投入实际生产使用。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6532/948

参考内容：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6

https://phys.org/news/2021-02-scientists-laser-random-ultrafast.html