A geração confiável de números aleatórios tornou-se um componente central da tecnologia de informação e comunicação. Na verdade, geradores de números aleatórios, algoritmos ou dispositivos que podem produzir sequências aleatórias de números estão agora ajudando a proteger as comunicações entre diferentes dispositivos, a produzir amostras estatísticas e para várias outras aplicações.

Pesquisadores da Toshiba Europe Ltd. desenvolveram recentemente um novo gerador quântico de números aleatórios (QRNG) baseado em um circuito integrado fotônico que pode ser integrado diretamente em dispositivos eletrônicos. Este QRNG, introduzido em um artigo publicado em Eletrônica da Naturezapode gerar de forma segura e robusta Números aleatórios a uma velocidade notável de 2 Gbit s^-1.

“A aleatoriedade é agora uma mercadoria valiosa, pois impulsiona quase todos os protocolos digitais que permitem a comunicação privada”, disse Raymond Smith, cientista pesquisador sênior e coautor do artigo, ao Tech Xplore.

“O uso comum de geradores de números pseudo-aleatórios (PRNGs) representa uma ameaça potencial à segurança porque os PRNGs são algoritmos meramente determinísticos e não fornecem aleatoriedade verdadeira. Isto é particularmente crítico para sistemas de comunicação seguros.”

Estudos recentes destacaram o potencial de geração de números verdadeiramente imprevisíveis usando QRNGs, geradores de números aleatórios que potencializam processos naturais de origem quântica. Smith e seus colegas da Toshiba têm experimentado essas técnicas.

“Esforços de pesquisa anteriores e ideias que inspiraram este trabalho incluem a busca pela simplificação do hardware dos QRNGs”, disse Smith.

“Normalmente, os QRNGs empregam componentes fotônicos, como lasers e detectores, que são volumosos e requerem manuseio especial quando montados com componentes eletrônicos. Essa complexidade torna os QRNGs mais difíceis de implantar em grande escala e mais caros. No entanto, uma tecnologia chamada ‘fotônica integrada’ está ajudando a superar esses desafios.”

Os circuitos fotônicos integrados permitem aos pesquisadores condensar todos os componentes ópticos centrais em um único chip com apenas alguns milímetros de tamanho. Smith e seus colegas tentaram usar tecnologias fotônicas integradas para criar um circuito integrado fotônico (PIC) que pudesse simplificar a complexidade de seu método QRNG, facilitando sua futura implantação em larga escala.

“Nos últimos anos, a Toshiba fez vários avanços na tecnologia PIC, incluindo o desenvolvimento o primeiro sistema de distribuição quântica de chaves (QKD) baseado em chip do mundo“, disse Smith.

“Este sistema QKD incorporou um QRNG PIC em um pacote borboleta de 14 pinos cuja saída óptica precisava ser acoplada por fibra a um fotodiodo de alta velocidade na placa eletrônica QRNG.”

O objetivo principal do estudo recente da equipe da Toshiba foi desenvolver um QRNG completo baseado em um PIC com apenas entradas e saídas eletrônicas. Além disso, os investigadores planearam implantar o QRNG em dispositivos reais para validar a sua eficácia.

“Normalmente, os PICs são testados sob condições controladas, utilizando equipamento de laboratório especializado”, explicou Smith. “Essa abordagem torna difícil avaliar o desempenho desta tecnologia, uma vez implantada em sistemas reais, sob condições operacionais reais”.

Smith e seus colegas projetaram uma placa de circuito impresso compacta que incorpora o PIC que desenvolveram, chamado núcleo de entropia óptica (OEC). OEC possui embalagem padrão que lembra outros chips eletrônicos e mede 6 x 6 mm². A placa de circuito na qual está embutida inclui módulos eletrônicos que acionam o PIC, bem como módulos que leem os sinais aleatórios gerados.

“Então, como é produzido o sinal aleatório?” Smith disse. “O PIC é composto por dois lasers que emitem pulsos ópticos com fases aleatórias devido ao ruído quântico. Esses pulsos interferem entre si, gerando um pulso com intensidade óptica aleatória, que é então convertido em um sinal de corrente aleatório por um detector rápido. é processado pela placa e convertido em bits aleatórios que podem ser distribuídos a uma taxa muito rápida (Gb/s).”

A principal vantagem do novo QRNG integrado baseado em fotônica é que seu PIC subjacente é econômico e pode ser montado em placas eletrônicas usando métodos convencionais de montagem em série. Isto poderia facilitar a sua futura implantação em grande escala em vários dispositivos eletrônicostornando-o uma alternativa competitiva e de melhor desempenho aos PRNGs.

“Construímos oito placas para estudar a variabilidade de desempenho em diferentes dispositivos”, disse Smith. “Além disso, para garantir a segurança de sua produção final, o QRNG realiza testes de integridade na produção do OEC para verificar se ele opera continuamente conforme esperado, ajustando automaticamente os parâmetros de condução do OEC se necessário, bem como calculando a taxa de geração segura que pode alcançar em tempo real. Se essa taxa cair, o QRNG pode ajustar automaticamente o pós-processamento para garantir que o resultado final permaneça imprevisível.”

Embora os PICs sejam geralmente testados isoladamente usando equipamentos especializados, o PIC desenvolvido na Toshiba pode ser perfeitamente integrado à eletrônica e testado em ambientes reais. Os testes iniciais foram altamente promissores, demonstrando que o OEC pode operar de forma tão confiável quanto outros componentes eletrônicos padrão.

“Incorporamos uma placa QRNG em um sistema QKD e a operamos continuamente por 38 dias, produzindo um sinal aleatório estável apesar das flutuações significativas de temperatura”, disse Smith. “Este teste demonstra a prontidão do nosso QRNG para implantação em sistemas reais, sob condições operacionais reais. Outro ponto notável é que obtivemos desempenhos muito semelhantes de todas as oito placas, o que é fundamental para estabelecer uma linha de base de desempenho.”

O recente estudo desta equipe de pesquisadores representa um avanço importante no desenvolvimento de QRNGs integrados baseados em fotônica e pode contribuir para sua futura implantação em massa. Até agora, Smith e seus colegas conseguiram atingir uma taxa de geração aleatória de bits de até 8 Gbit/s, mas em breve esperam aumentar ainda mais essa taxa.

“Isso tornará esses QRNGs atraentes para simulações e computação de alto desempenho”, acrescentou Smith. “Também planejamos continuar a aumentar a robustez dos nossos QRNGs para garantir que eles possam operar de forma confiável em casos de uso do mundo real”.

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