Aussi omniprésents qu'ils soient dans les usages quotidiens, comme le cryptage et la sécurité, les nombres numériques générés aléatoirement sont rarement vraiment aléatoires.

Jusque là, seulement encombrant, les générateurs de nombres aléatoires quantiques (QRNG) relativement lents peuvent atteindre des niveaux d'aléatoire comparables aux lois fondamentales de la physique quantique, mais les chercheurs cherchent à rendre ces appareils plus rapides et plus portables.

Dans Lettres de physique appliquée , des scientifiques chinois présentent le QRNG en temps réel le plus rapide à ce jour pour rendre les appareils plus rapides et plus portables. Le dispositif combine une puce intégrée photonique de pointe avec un post-traitement optimisé en temps réel pour extraire le caractère aléatoire de la source d'entropie quantique des états du vide.

"Récemment, la technologie de la photonique quantique intégrée a montré des avantages significatifs en termes de réduction de taille, " a déclaré l'auteur Jun Zhang. " Dans ce travail, nous prouvons en outre qu'une telle technologie pourrait être utilisée pour l'ultrarapide, génération de nombres aléatoires quantiques en temps réel."

La plupart des QRNG utilisent aujourd'hui des composants photoniques et électroniques discrets, mais l'intégration de tels composants au sein d'une puce reste un défi technique.

"Les nombres aléatoires quantiques sont imprévisibles, non reproductible et impartial, dont le caractère aléatoire provient de la nature indéterministe intrinsèque de la physique quantique, " dit Zhang.

La puce du groupe utilise des photodiodes d'indium-germanium-arséniure et un amplificateur de transimpédance intégré sur une puce photonique en silicium qui comprend plusieurs coupleurs et atténuateurs. La combinaison de ces composants permet au QRNG de détecter les signaux d'une source d'entropie quantique avec une réponse en fréquence considérablement améliorée.

"Le point surprenant de notre travail est que les performances de réponse à haute fréquence de la puce photonique intégrée finale sont meilleures que prévu, " dit Zhang.

Une fois les signaux aléatoires détectés, ils sont traités par un réseau de portes programmable sur le terrain, qui extrait des nombres vraiment aléatoires des données brutes. L'appareil résultant peut générer des nombres à près de 19 gigabits par seconde, qui est un nouveau record du monde. Les nombres aléatoires peuvent ensuite être envoyés à n'importe quel ordinateur via un câble à fibre optique.

Pour démarrer, la puce du groupe ne mesure que 15,6 sur 18,0 millimètres, significativement plus petit que la plupart des modules ou instruments QNRG actuels.

Zhang et le groupe espèrent que leur approche aidera à ouvrir la voie aux QRNG pour devenir une solution plus pratique pour les appareils rapides et compacts.

« Sur la base de nos travaux actuels, à l'avenir, nous allons développer une puce unique à faible coût de QRNG avec un débit binaire aléatoire modéré, au niveau des mégabits par seconde, à usage commercial, ", a déclaré Zhang. "Une telle puce unique pourrait être très utile dans divers systèmes électroniques nécessitant des nombres ou des signaux aléatoires et même dans les téléphones portables pour améliorer la sécurité."