Denne enheten kan generere ekte slumptall i et svært høyt tempo

En internasjonal gruppe av forskere har ved hjelp av uforutsigbare egenskaper ved laser greid å lage en ekte slumptallsgenerator som både skal være relativt liten i størrelse og mye raskere enn dagens raskeste generatorer.

En slumptallsgenerator er et system som gir fra seg et tilfeldig tall, altså på slump. Slumptallsgeneratorer har blitt brukt av mennesker i tusenvis av år. Kasting med terninger er et kjent eksempel på dette.

Men terningskasting er ikke noe praktisk tilnærming for IT-systemer, hvor slumptall brukes mye – ikke minst i forbindelse med kryptering og generering av nøkler, engangspassord og kodeord. Men for at dette skal kunne gjøres på en måte som ikke kan reproduseres av uvedkommende, må slumptallene være helt tilfeldige.

Ekte eller uekte?

De fleste datamaskiner tilbyr i dag en slumptallsgenerator, men disse er av den «uekte» typen (PRNG - Pseudorandom Number Generator). Det vil si at tallene blir generert av en algoritme som bruker komplekse mønstre til å generere tall. En slik algoritme vil genere den samme rekken av «tilfeldige» tall hver gang, så lenge den starter på samme sted. Dette bestemmes med et spesifikt tall som kalles for «frø».

En slik uekte slumptallsgenerator er likevel tilstrekkelig i mange tilfeller, men ikke i alle. En ekte slumptallsgenerator tilbyr helt tilfeldige tall, og denne formen for generering av tallene kan ikke reproduseres.

Tregt og kostbart

Ekte slumptallsgeneratorer er ofte basert på måling av uforutsigbare fenomener, slik som et atoms radioaktive nedbrytning. Slike generatorer er både dyre og trege.

– Vanligvis er disse fysiske slumptallsgeneratorene ikke særlig raske. De er også sekvensielle, noe som betyr at de vanligvis bare genererer én bitstrøm, istedenfor flere bitstrømmer samtidig. Det gjør at raten er relativt lav, noe som forhindrer den i å generere mange tilfeldige tall raskt, sier Hui Cao, professor i anvendt fysikk ved Yale University, i en pressemelding.

Cao har deltatt i arbeidet med å designe den nye laserbaserte slumptallsgeneratoren, noe som er gjort i samarbeid med forskere ved Université de Lorraine i Frankrike, Nanyang Technological University i Singapore og Trinity College Dublin i Irland.

Timeglassformet

Generatoren bruker en spesiell type halvlederlaser med en timeglassformet resonator, som kan forsterke mange optiske moduser på samme tid. Disse vil interferere med hverandre og genere raske fluktuasjoner i intensiteten. Fluktuasjonene på ulike steder i enheten blir så registrert av et raskt kamera. Registreringene blir deretter digitalisert og gjort om til mange parallelle, tilfeldige bitstrømmer, som kan omgjøres til slumptall.

Cao sammenligner den timeglassformede enheten med resonanskassen til en fiolin, som er formet for å forsterke lyden og resonere med mange akustiske frekvenser. Den timeglassformede resonatoren fungerer på en tilsvarende måte, men med optiske bølger.

250 terabit i sekundet

Under alle de optiske modusene skjer det spontane emitteringer, og det er disse som gjør de resulterende bitstrømmene uforutsigbare. Den samlede bitraten til strømmene er på rundt 250 terabit i sekundet. Dette skal være mer enn hundre ganger raskere enn de raskeste generatorene som er tilgjengelige i dag.

Ifølge Science News, overføres bitstrømmene til enhetens minne, som tydeligvis ikke er veldig stort. Det tar bare et par nanosekunder å fylle opp minnet. Deretter kan dataene overføres til en datamaskin.

Ifølge Nanyang Technological University er laseren som benyttes i dagens versjon av generatoren rundt 1 millimeter lang og krever en strømstyrke på 1 ampere. Målet er å bygge både den og kameraet inn i en kompakt brikke, som kan levere slumptall direkte til datamaskiner.

En vitenskapelig artikkel om forskningen ble publisert i Science i forrige uke.