沙特和美国团队利用微型LED的强度波动，实现了高达每秒数吉比特的超高速随机数生成，为数据安全和复杂系统模拟带来经济高效、紧凑可靠的解决方案。
微型LED，正以其独特的优势，为随机数生成领域带来一场革命。一个来自沙特阿拉伯和美国的联合研究团队，已经成功展示了微型LED能够以每秒数吉比特的速度，生成高质量的随机数。这无疑为数据安全、加密密钥和密码的创建，以及天气预报和金融市场等复杂系统的计算机模拟，开辟了全新的可能性。
在当今数字时代，对经济高效、尺寸小巧且生成速度快的随机数发生器，有着巨大的市场需求。最可靠的方法，是利用量子力学内在随机性驱动的物理过程来获取真随机数。过去，研究人员已经探索过电子设备和光电设备中的热噪声、混沌现象和抖动，来作为随机数的来源。
现在，来自阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)、阿卜杜勒阿齐兹国王科技城 (KACST)以及加州大学圣巴巴拉分校的Heming Lin、Boon Ooi及其同事，报告了一个令人振奋的发现：蓝光GaN微型LED自发辐射的强度波动，可以作为量子随机数发生器(QRNG)，实现每秒9.375吉比特的超高生成速率。这些微型LED的尺寸在5到100微米之间，小巧而强大。
Lin和Ooi表示：“微型LED具有紧凑、可靠和成本效益高等优点。与同类竞争技术相比，它们功耗更低，所需的电子和光子系统架构也更简单。”这使得微型LED在未来芯片集成方面，具备显著的优势。
实际上，利用LED来生成随机数的想法并非首次提出。在过去的十年里，研究团队曾尝试测量光子数量和到达时间。然而，这些早期方案的主要局限性在于，它们的生成速率相对较慢，通常每秒不超过几百兆比特。
Lin和Ooi解释道：“依赖单光子探测的系统，通常每个采样周期只能提取两个比特，而我们的系统通过利用强度波动，实现了六个比特的提取。”这种效率上的显著提升，是其能够达到超高生成速率的关键。
为了确保量子随机数发生器的可靠性，其输出结果必须经过严格的测试，以验证其随机性。美国国家标准与技术研究院(NIST)制定的测试标准，被认为是该领域的黄金准则。KAUST团队对各种不同尺寸(从5 × 5微米²到100 × 100微米²)和不同驱动电流(从0.5到100毫安)的微型LED进行了测试。值得欣慰的是，所有测试样本都顺利通过了NIST的严格考验。
展望未来，该团队将致力于通过创建微型LED的二维阵列来进一步提高生成速率，从而实现并行随机数生成。
此外，研究人员还计划开发一个完全集成的系统，而非目前使用的分立元件。当前KAUST的系统，由一个GaN微型LED、一个用于稳定温度的热电冷却器、一个将发光传输至雪崩光电探测器的装置，以及一个连接到采样示波器的电子放大器组成。
Lin和Ooi补充道：“我们的下一步是，将片上光电探测器与微型LED集成在一起，然后将所有必需的电子元件都整合进去，以实现一个完全集成的量子随机数发生器芯片。”这将标志着微型LED在随机数生成领域，迈向一个更加成熟和广泛应用的新阶段。
本文译自 KAUST Discovery，由 BALI 编辑发布。
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