سریع‎ترین مولد اعداد تصادفی که تاکنون ساخته شده است

 

لیزر جدیدی ساخته شده است که می‎تواند توالی‎ها‎ی زیادی از اعداد تصادفی یا چیزی شبیه پرتاب چند تاس در یک زمان را به‌طورهمزمان تولید کند.

 تولید چنین اعداد تصادفی فوق سریعی می‎تواند روزی به امنیت ارتباطات آنلاین یا شبیه‌سازی‎های پیشرفته کمک کند.

 

محققان با استفاده از یک لیزر ساده توانستند سریع‌ترین مولد اعداد تصادفی را که تاکنون ساخته شده است، بسازند. این روش از نوسانات شدت نور برای ایجاد اعداد تصادفی- که یک منبع رویایی برای کاربردهایی مانند رمزگذاری داده‎ها‎ و شبیه‌سازی‎ها‎ی علمی ‎است – بهره می‎برد. این دستگاه اعداد متوالی را بیش از 100 برابر سریع‌تر از سایر تولیدکننده‎ها‎، می‌سازد.  طبق استاندارد‎ها‎ی معمولی، طراحی یک لیزر جدید کاملاً حیرت انگیز است. و به دست آوردن اعداد تصادفی واقعی به طرز شگفت انگیزی دشوار است. الگوریتم‎ها‎ در رایانه‎ها‎ی معمولی می‎توانند توالی اعدادی را تولید کنند که در ابتدا تصادفی به نظر می‎رسند، اما با گذشت زمان الگوهایی را نشان می‎دهند. این باعث می‎شود که آن‌ها تا حدی قابل پیش‌بینی باشند و در نتیجه در برابر رمزگشایی آسیب‌پذیر باشند. برای ایمن‌سازی رمزگذاری، محققان به مکانیک کوانتوم روی آورده اند، جایی که قوانین فیزیک تضمین می‎کند که نتایج برخی از اندازه‌گیری‎ها‎ کاملاً تصادفی است.

یک روش محبوب برای استفاده از روش تصادفی کوانتومی، بهره برداری از نوسانات فوتون‎های گسیل شده توسط مواد مورد استفاده در لیزر است. لیزرهای معمولی برای به حداقل رساندن این نوسانات و تولید نوری با شدت ثابت طراحی شده‎اند. اما برای تولید اعداد تصادفی، محققان برعکس این مسئله را هدف قرار داده اند. هوی کائو[1] ، فیزیکدان دانشگاه ییل[2] ، می‎گوید: “ما می‎خواهیم شدت نور لیزر به طور تصادفی در نوسان باشد، تا بتوانیم این شدت را برای تولید اعداد تصادفی به عدد تبدیل کنیم.”

این تیم از محققان لیزری تولید کردند که به جای تولید یک پرتو ثابت، یک نور فازی پر از لکه‎ها‎ی نورانی که به‌طور تصادفی سوسو می‎زند تولید می‎کند. برای این تیم از فیزیکدانان، این خروجی خراب لیزر، بزرگترین دارایی است. نوسانات نامنظم در نور لیزر را می‎توان در 254 تریلیون رقم تصادفی در ثانیه ترجمه کرد – بیش از 100 برابر سریع‎تر از سایر مولدهای اعداد تصادفی مجهز به لیزر. مولدهای اعداد تصادفی ابزاری ارزشمند در محاسبات هستند. آن‌ها برای ایجاد کلیدهای رمزگذاری، استفاده می‎شوند که داده‎ها‎ی خصوصی مانند رمزهای عبور و شماره کارت اعتباری را با هم مخلوط می‎کنند، بنابراین اطلاعات می‎توانند از طریق اینترنت به طور ایمن انتقال یابند. شبیه سازی رایانه‎ای سیستم‎ها‎ی پیچیده مانند آب و هوای زمین یا بورس اوراق بهادار نیز به تعداد زیادی اعداد تصادفی نیاز دارد تا وقایع شانسی را که در زندگی واقعی اتفاق می‎افتد به درستی ثبت کند.

لیزرها به لطف نوسانات کوچک و طبیعی در فرکانس نورشان در طول زمان می‎توانند توالی اعداد تصادفی را ایجاد کنند. اما استفاده از پرتوی لیزر برای تولید اعداد تصادفی، به نوعی شبیه به چرخیدن مکرر یک قالب است. برای تولید رشته‎ها‎ی زیادی از رقم‎ها‎ی تصادفی از یک لیزر، فیزیکدان هوی کائو[3] و همکارانش از دانشگاه ییل طرحی جدید ارائه دادند.  آنها محیط لیزر خود را- نیمه‎ها‎دی نیمه شفاف- به شکل پاپیون ساختند. در لیزر این تیم، نور بین آینه‎ها‎یی که در دو انتهای حفره ساعت شنی شکلی قرار گرفته اند، قبل از خارج شدن از دستگاه، بازتاب می‎شود. این شکل نامنظم اجازه می‎دهد تا امواج نوری با فرکانس‎ها‎ی مختلف با یکدیگر همپوشانی داشته باشند. در نتیجه، وقتی لیزر به سطحی تابانده می‎شود، نور آن حاوی الگوی مدام در حال تغییر لکه‎ها‎ی کوچک است که به طور تصادفی روشن و خاموش می‎شوند. روشنایی در هر نقطه از الگو، با گذشت زمان می‎تواند توسط یک کامپیوتر به یک سری تصادفی از یک و صفر تبدیل شود. سپس محققان می‎توانند نور را با دوربین فوق سریع ضبط کنند. آنها خروجی نور را با 254 پیکسل مستقل ثبت کردند که در مجموع بیت‎ها‎ی تصادفی با نرخ حدود 250 تراهرتز تولید شد. که این مقدار چندین مرتبه از دستگاه‎های قبلی که هر بار فقط یک پیکسل ضبط می‎کردند سریع‌تر است.  

شکل 2. یک نیمه ‎ها‎دی پاپیون شکل که پرتوی لیزر را با شدت نوسانی و تصادفی تولید می‎کند.

نتایج آنها در 25 فوریه در نشریه Science چاپ شد.

کریستر شلم[4] ، فیزیکدان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده در بولدر ، کلرادو ، می‎گوید: این اختراع “نشان دهنده یک جهش اساسی در عملکرد مولدهای اعداد تصادفی است”.

 

سریعترین رایانه‎ها‎ی موجود دارای سرعت اندازه‎گیری گیگا هرتز هستند که برای بهره برداری کامل از تمام قدرت دستگاه کائو بسیار کند است. این چیدمان می‎تواند با استفاده ازآشکارسازهای نوری ساده‎تر به جای دوربین پرسرعت، کوچک‌سازی شود. برای کار در دنیای واقعی این مولد اعداد تصادفی باید مجهز به انواعی از آشکارسازهای نوری باشد که می‎توانند اندازه‎گیری روشنایی‎ها را سریع و در زمان واقعی به کامپیوترها ارسال کنند. کائو می‎گوید:” این وسیله می‌تواند در نهایت برای کاربردهای عملی و قرار گرفتن در یک تراشه، به اندازه کافی کوچک‌سازی شود. همچنین می‎تواند کاربردهای مفیدی مانند رمزگذاری در تلفن‎ها‎ی همراه داشته باشد. “

 

منابع:

 

https://www.sciencenews.org/article/laser-fastest-random-number-generator-computing

https://www.zdnet.com/article/scientists-have-built-this-an-ultrafast-laser-powered-random-number-generator/

 

 

[1] Hui Cao

[2] Yale University in New Haven, Connecticut.

[3] Hui Cao

[4] Krister Shalm