Les chercheurs ont montré qu'un dispositif à puce mesurant un millimètre carré pourrait être utilisé pour générer des nombres aléatoires quantiques à des vitesses de gigabit par seconde. Le petit appareil nécessite peu d'énergie et pourrait activer des générateurs de nombres aléatoires autonomes ou être incorporé dans des ordinateurs portables et des téléphones intelligents pour offrir un cryptage en temps réel.

"Bien qu'une partie de l'électronique de commande ne soit pas encore intégrée, l'appareil que nous avons conçu intègre tous les composants optiques requis sur une seule puce, " a déclaré le premier auteur Francesco Raffaelli, Université de Bristol, Royaume-Uni. « Utiliser cet appareil seul ou l'intégrer à d'autres appareils portables serait très utile à l'avenir pour sécuriser davantage nos informations et mieux protéger notre vie privée. »

Les générateurs de nombres aléatoires sont utilisés pour crypter les données transmises lors de transactions numériques telles que l'achat de produits en ligne ou l'envoi d'un e-mail sécurisé. Les générateurs de nombres aléatoires d'aujourd'hui sont basés sur des algorithmes informatiques, ce qui peut rendre les données vulnérables si les pirates découvrent l'algorithme utilisé.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs rapportent un générateur de nombres aléatoires quantiques basé sur des photons émis de manière aléatoire par une diode laser. Parce que l'émission de photons est intrinsèquement aléatoire, il est impossible de prédire les nombres qui seront générés.

« Par rapport à d'autres générateurs de nombres aléatoires quantiques intégrés démontrés récemment, le nôtre peut atteindre des taux de génération très élevés avec des puissances optiques relativement faibles, " a déclaré Raffaelli. " Utiliser moins d'énergie pour produire des nombres aléatoires permet d'éviter des problèmes tels que l'excès de chaleur sur la puce. "

Photonique sur silicium

La nouvelle puce a été rendue possible par les développements de la technologie photonique sur silicium, qui utilise les mêmes techniques de fabrication de semi-conducteurs que celles utilisées pour fabriquer des puces informatiques pour fabriquer des composants optiques en silicium. Il est maintenant possible de fabriquer des guides d'ondes en silicium qui peuvent guider la lumière à travers la puce sans perdre l'énergie lumineuse en cours de route. Ces guides d'ondes peuvent être intégrés sur une puce avec une électronique et des détecteurs intégrés qui fonctionnent à des vitesses très élevées pour convertir les signaux lumineux en informations.

Le nouveau générateur de nombres aléatoires sur puce tire parti du fait que, dans certaines conditions, un laser émettra des photons de manière aléatoire. L'appareil convertit ces photons en puissance optique à l'aide d'un petit appareil appelé interféromètre. De très petits photodétecteurs intégrés dans une même puce détectent alors la puissance optique et la convertissent en une tension pouvant être transformée en nombres aléatoires.

"Malgré les progrès de la photonique sur silicium, il y a encore de la lumière perdue à l'intérieur de la puce, ce qui conduit à très peu de lumière atteignant les détecteurs, " a déclaré Raffaelli. " Cela nous a obligés à optimiser tous les paramètres très précisément et à concevoir une électronique à faible bruit pour détecter le signal optique à l'intérieur de la puce. "

Le nouveau dispositif à puce apporte non seulement des avantages de portabilité, mais est également plus stable que le même dispositif fabriqué à l'aide d'optiques en vrac. En effet, les interféromètres sont très sensibles aux conditions environnementales telles que la température et il est plus facile de contrôler la température d'une petite puce. Il est également beaucoup plus facile de reproduire avec précision des milliers de puces identiques en utilisant la fabrication de semi-conducteurs, alors que reproduire la précision nécessaire avec des optiques en vrac est plus difficile.

Tester la puce

Pour tester expérimentalement leur conception, les chercheurs ont demandé à une fonderie de fabriquer la puce du générateur de nombres aléatoires. Après avoir caractérisé les performances optiques et électroniques, ils l'ont utilisé pour la génération de nombres aléatoires. Ils estiment un taux potentiel de génération aléatoire de près de 2,8 gigabits par seconde pour leur appareil, qui serait assez rapide pour permettre le cryptage en temps réel.

"Nous avons démontré la génération de nombres aléatoires en utilisant environ un dixième de la puissance utilisée dans d'autres dispositifs de génération de nombres aléatoires quantiques à puce, ", a déclaré Raffaelli. "Nos travaux montrent la faisabilité de ce type de plate-forme intégrée."

Bien que la puce contenant les composants optiques ne mesure qu'un millimètre carré, les chercheurs ont utilisé un laser externe qui fournit la source de l'aléatoire et des outils électroniques et de mesure nécessitant une table optique. Ils travaillent actuellement à la création d'un appareil portable de la taille d'un téléphone portable contenant à la fois la puce et l'électronique nécessaire.