撰稿 | Charles（巴黎綜合理工學院，博士生）

隨機數（Random numbers）的概念最早可以追溯到5000年之前。在古老的中東，印度和中國，擲距骨，雙面投擲棒和骰子等早期人工隨機數產生器已經被創造出來。

圖1：隨機數藝術效果圖

而在當今數字信息化的世界里，隨機數仍然起著舉足輕重的作用。包括加密安全通信，云計算，區塊鏈和量子密鑰分發等最新技術，其性能和可靠性正是基于產生大量隨機數的能力。此外，在機器學習中，蒙特卡洛數值方法也有隨機數的影子。

到目前為止，隨機數通常是通過使用在計算機上的軟件算法生成的，稱為“偽隨機”。它們實際上是以特定數字或“種子”開頭的復雜程式，于是產生的序列之間不可避免地存在關聯，即表明數字不是均勻隨機的。所以一旦黑客攻擊者知道“種子”或算法的任何部分，他們就可以馬上輕松破譯并預測出未來的序列。

需要解決的問題是：這些物理隨機數生成器的速率不是很快。通常，它們通常只生成一個比特流，缺少并行產生的能力，因此無法快速地生成大量隨機數。

而光子器件在這個領域展示出巨大的潛力，因為其具有高速處理、芯片級的器件尺寸和極低功耗等優點。

為此，耶魯大學曹蕙教授（美國國家科學院院士，美國藝術與科學院院士）團隊與其合作者利用簡單的激光器建造出了至今為止最快的隨機數生成器。并且該技術可以生產出小到可以裝進一個計算機芯片里的設備。其速率比現有技術快百倍以上，從而為當前的數字化社會中更快、更具成本效益、更安全的數據加密打開了大門。

該結果以 Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser 為題發表在科學雜志 Science。

圖2：快速激光芯片生成隨機數。

為了獲得真正的隨機性從而使加密更安全，研究人員轉向了量子隨機性。物理定律證實某些實驗測量的結果（例如放射性原子衰變）是完全隨機的，而更加常用的方法是利用激光器發射光子時的強度波動。在以往典型的激光設備旨在最大限度地減少這些波動，以產生強度穩定的光。但對于隨機數生成，研究人員的目標正好相反希望強度可以隨機波動，從而可以將不同強度進行數字化以生成隨機數。

由于通常的激光器是單模的，只能在單一頻率下產生類似高斯光束的光斑。研究人員創新性地通過使用同時發射多種激光模式的廣域激光器（broad area laser）來克服這一瓶頸。

眾所周知，由于光和激光介質的非線性相互作用，常見的廣域激光器在空間和時間上表現出不規則的強度波動。而正是這種相位和幅度快速變化，干涉圖案經歷了復雜的舞動、扭轉和忽明忽暗。再經由快速相機將其記錄下來，使不同位置的強度波動數字化以并行生成許多隨機比特流。最終這些比特流會被轉換為隨機數。

圖3：基于廣域激光器的超快隨機數產生器。為了生成隨機比特流，檢測器上相同位置不同時間的強度相差約。這樣便產生了1或0的比特流，然后與另一個點的比特流進行異或 (XOR) 邏輯運算。如果兩個輸入不同，則 XOR 運算會生成1，如果兩個輸入相同，則生成0。

對于一個優秀的激光隨機數產生器，如何設計其激光光腔，以便最小化空間和時間相關性是重中之重。

研究人員首次介紹一種特殊的腔體形狀。在進行了大量的數值建模后，他們選擇了蝴蝶結形狀并精確地微制造了樣本。這樣的設計使光子在蝴蝶結的彎曲壁之間反彈多次，然后作為散射光束出來，顯著地增加了激光模式的數量，卻又避免了它們的鎖定，從而將空間和時間相關性分別降低到1.5μm和2.8ps。

圖4：（A）和（D）常見的Fabry-Perot腔激光器和特殊設計的蝴蝶結光腔激光器。
（B）和（E）對應不同激光器發射強度在空間和時間的展示，
（C）和（F）表示發射強度的時空相關函數，
（F）顯示其沒有長程時空相關性。

通過努力，他們實現了每秒250Tb速率的大規模并行、超快的激光隨機位生成器，比目前最快的對應系統高兩個數量級以上。

憑借如此速度，該設備只需 12 秒即可生成一系列隨機數，其數量相當于世界上最大的圖書館——美國國會圖書館中的可用信息量。這樣的設備長度僅有1毫米，并且非常節能，只需要1A左右的電流。

圖5：蝴蝶結光腔可以制造出一道強度激光束，其強度隨機波動。

曹蕙教授將蝴蝶結光腔比作小提琴，小提琴專門用于放大聲音并與許多聲頻共振。而同樣地，此類光腔充當光波的諧振器進而放大許多激光模式。

曹蕙教授表示：“這項技術確實為如何更快地生成隨機數開辟了一條新途徑，而我們還沒有達到極限。如果使用更簡單的光線探測器取代高速照相機，就可以讓設備變得更小。這樣，就可能最終制造出單個計算機芯片大小的設備，這可能會帶來一些實際應用，例如在手機上進行加密的技術。”

論文信息

Kim, K., et al. (2020) Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser. Science.

論文地址

https://doi.org/10.1126/science.abc2666

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編輯 | 趙陽

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