Nuevo récord en la tasa de generación de números aleatorios (254 Tbit/s)

Por Francisco R. Villatoro, el 26 mayo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 4

Muchas aplicaciones tecnológicas requieren generadores de números (pseudo-) aleatorios ultrarrápidos. Un láser semiconductor en un bucle realimentado se comporta como un sistema caótico; gracias a ello se puede usar como generador de bits aleatorios hasta la escala de los Tbit/s (terabit por segundo); para ir más allá se pueden usar muchos láseres en paralelo, pero en una cavidad de Fabry–Perot aparecen correlaciones que introducen correlaciones no deseadas en los bits. Se publicó en Science  que la solución es usar un cavidad con paredes curvas en forma de pajarita (corbata corta); con un diseño adecuado (inspirado en los billares caóticos) se pueden combinar 127 fuentes de bits a 2 Tbit/s para alcanzar 254 Tbit/s, dos órdenes de magnitud más rápido que los generadores de números aleatorios actuales. Con el diseño adecuado se observa una reducción extrema de todas las correlaciones espaciales y temporales entre los láseres. Una idea que sorprende por su simplicidad y que promete gran número de aplicaciones futuras.

La generación de números (pseudo-) aleatorios se usa en cifrado (criptografía), seguridad informática, tecnologías blockchain, distribución de claves cuánticas, aprendizaje automático, métodos de Montecarlo en ciencias computacionales y en muchas otras tecnologías. La generación de bits aleatorios mediante hardware se suele basar en sistemas clásicos caóticos y en sistemas cuánticos; la ventaja de los segundos es su gran calidad, pero a costa de su lentitud. Los sistemas ópticos caóticos son una fuente muy fiable y muy rápida de números pseudoaleatorios. Los láseres semiconductores tienen al ventaja adicional de que se pueden integrar en chip. En el nuevo prototipo se ha logrado reducir las correlaciones espaciales hasta solo 1.5 µm (micrómetros) y las correlaciones temporales a menos de 2.8 ps (picosegundos).

El artículo es Kyungduk Kim, Stefan Bittner, …, Hui Cao, «Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser,» Science 371: 948-952 (26 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abc2666; más información divulgativa en Ingo Fischer, Daniel J. Gauthier, «High-speed harvesting of random numbers,» Science 371: 889-890 (26 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abg5445; Davide Castelvecchi, «This is the fastest random-number generator ever built,» Nature (02 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00562-6.

 

La intensidad de la luz que emerge de la cavidad con forma de pajarita genera un patrón de intensidad (pseudo)aleatorio del que se pueden extraer pares de bits que se pueden sumar (con una puerta lógica XOR) para obtener un flujo de bits (pseudo)aleatorios. El patrón de intensidad se mide en 254 píxeles (posiciones espaciales)  de 1 μm a un ritmo 1.46 ps (o a una frecuencia de muestreo de 683 GHz); así se generan bits a un ritmo de 2 Tb/s × 127 = 254 Tb/s.

Por supuesto, la clave del nuevo artículo en Science es la demostración experimental de que los bits generados son pseudo-aleatorios de gran calidad. La figura de la izquierda muestra distribución de la intensidad diferencial (ΔIn = In+4 – In) digitalizada a 6 bits en el rango de [–1740, 1740] observaciones; el resultado se aproxima muy bien por una gaussiana (distribución normal). A la derecha se muestra que la distribución de probabilidad para tres bits es prácticamente uniforme. Se presentan otros tests que omito aquí por brevedad (y que no suponen gran novedad per se)

En resumen, un prototipo de una nueva tecnología, muy fácil de entender, pero de gran utilidad práctica. Lo más relevante es que se espera, en un futuro no muy lejano, poder generar bits a ~4 Tb/s por píxel y generar hasta ~500 píxeles, con lo que se lograría una velocidad de 2 Pb/s (petabits por segundo). Increíble, sin lugar a dudas; habrá que estar al tanto de los avances en esta tecnología.



4 Comentarios

  1. Dado que son pseudoaleatorios (y no aleatorios como podría ser tirar 254e12 veces una moneda) ¿quiere decir que en ese experimento pueden fijarse las condiciones iniciales tales que podamos reproducir la misma secuencia pseudoaleatoria de 254e12 bits? Impresionante.

    ¿Es la forma de la cavidad la que fija la secuencia? (y muchas más dudas, ¿es «programable»? ¿es replicable si se tiene acceso a ella? etc…)

    ¡Gracias!

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