Les chercheurs ont développé un générateur de nombres quantiques basé sur des puces qui fournit une opération à grande vitesse et de haute qualité sur une plate-forme miniaturisée. Cette avance pourrait aider à rapprocher les générateurs de nombres aléatoires quantiques plus près de la construction directement dans les appareils quotidiens, où ils pourraient renforcer la sécurité sans sacrifier la vitesse.
Le véritable aléatoire est essentiel pour les services bancaires en ligne sécurisés, la messagerie privée et la protection des données sensibles contre les pirates, et le besoin croissant de protection numérique plus forte entraîne une demande à croissance rapide de nombres aléatoires de haute qualité générés à grande vitesse.
« Les propriétés quantiques de la lumière permettent de produire des nombres vraiment aléatoires, contrairement aux nombres générés par les algorithmes informatiques, qui imitent uniquement le caractère aléatoire », a déclaré le chef de l'équipe de recherche Raymond Smith du Cambridge Research Laboratory de Toshiba au Royaume-Uni. « Cependant, rendre cette technologie pratique pour une utilisation du monde réel nécessite les composants optiques qui créent ces effets quantiques aussi petits que possible afin qu'ils puissent s'adapter à d'autres systèmes. »
Dans le journal Optica quantumles chercheurs décrivent une nouvelle conception de générateur de nombres aléatoires quantique qui peut récupérer le signal quantique même lorsqu'il est enterré dans le bruit, ce qui a été difficile à accomplir avec des dispositifs intégrés aux puces. Le nouvel appareil peut générer des nombres aléatoires imprévisibles à un taux de 3 gigabits par seconde, assez rapidement pour répondre aux besoins de sécurité des centres de données à grande échelle.
« Une application majeure de générateurs de nombres aléatoires consiste à protéger les données et les communications sensibles à l'aide de clés de chiffrement », a déclaré Smith. « Notre technologie peut générer ces clés à grande vitesse et avec de solides garanties de sécurité. Les nombres aléatoires à grande vitesse sont également essentiels pour les simulations scientifiques et l'intelligence artificielle et pour assurer l'équité dans des applications comme les jeux en ligne ou les loteries numériques. »
Suppression du bruit
La photonique intégrée – qui utilise de minuscules circuits optiques sur une puce pour générer, guider et manipuler la lumière – permet de réduire les configurations optiques complexes à quelques millimètres. Cependant, ces petits systèmes sont plus sensibles aux perturbations externes telles que le bruit électronique, ce qui peut ruiner la qualité des nombres aléatoires quantiques. Pour cette raison, la récupération de la véritable aléatoire quantique nécessite généralement des procédures de filtrage complexes pour nettoyer les nombres, mais ces étapes supplémentaires réduisent considérablement le taux de génération.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé un générateur de nombres aléatoires quantique qui stimule les signaux faibles avec un amplificateur optique et utilise une deuxième photodiode pour aider à supprimer la diaphonie et tout autre bruit optique ou électrique.
« Grâce à ses caractéristiques de rejet du bruit intégrées, le circuit intégré photonique produit un signal beaucoup plus propre dès le début, donc il s'appuie beaucoup moins sur le post-traitement lourd », a déclaré Smith. « Cela signifie que nous pouvons garder les avantages d'une plate-forme miniaturisée tout en générant des nombres vraiment aléatoires à grande vitesse. »
Génération de nombres aléatoires robuste
Pour tester la nouvelle conception, les chercheurs ont commencé par mesurer les performances optiques du générateur de nombres quantiques basé sur la puce isolément. Ils ont constaté que le circuit se comportait comme prévu, l'amplificateur optique sur puce augmentant le signal quantique.
Ils ont ensuite emballé la puce et l'ont montée sur une carte de circuit imprimé afin qu'elle puisse fonctionner aux côtés de l'électronique à grande vitesse. Une fois que la puce n'était plus isolée, ils ont observé une diaphonie électronique, mais leur conception à double photodiode a contribué à minimiser cette interférence. En plus de générer des nombres aléatoires à 3 Gbps, le système a fonctionné en continu pendant 24 heures, confirmant une excellente stabilité – un avantage d'utiliser un seul laser pour maximiser la visibilité des interférences.
Ensuite, les chercheurs prévoient d'augmenter le niveau d'intégration entre les pièces optiques et électroniques. « Notre objectif est d'ajouter plus de fonctionnalités électroniques directement aux côtés de la puce photonique, de sorte que le générateur devient aussi proche que possible d'un appareil compact et autonome », a déclaré Smith. « Cela faciliterait le déploiement dans les systèmes du monde réel et le rapprocher de la viabilité commerciale. »
