Un nouveau générateur de nombres aléatoires quantiques atteint une vitesse de 2 Gbit/s

La génération fiable de nombres aléatoires est devenue un élément central des technologies de l’information et des communications. En fait, les générateurs de nombres aléatoires, les algorithmes ou les dispositifs capables de produire des séquences aléatoires de nombres contribuent désormais à sécuriser les communications entre différents appareils, à produire des échantillons statistiques et à diverses autres applications.

Les chercheurs de Toshiba Europe Ltd. ont récemment développé un nouveau générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG) basé sur un circuit intégré photonique pouvant être directement intégré dans des appareils électroniques. Ce QRNG, présenté dans un article publié dans Électronique naturellepeut générer de manière sécurisée et robuste des nombres aléatoires à une vitesse remarquable de 2 Gbit s^-1.

“Le hasard est désormais une denrée précieuse, car il régit presque tous les protocoles numériques permettant la communication privée”, a déclaré Raymond Smith, chercheur scientifique principal et co-auteur de l'article, à Tech Xplore.

“L'utilisation courante de générateurs de nombres pseudo-aléatoires (PRNG) constitue une menace potentielle pour la sécurité, car les PRNG ne sont que des algorithmes déterministes et ne fournissent pas de véritable caractère aléatoire. Ceci est particulièrement critique pour les systèmes de communication sécurisés.”

Des études récentes ont mis en évidence le potentiel de génération de nombres véritablement imprévisibles à l’aide des QRNG, des générateurs de nombres aléatoires qui exploitent des processus naturels d’origine quantique. Smith et ses collègues de Toshiba ont expérimenté ces techniques.

“Les efforts de recherche antérieurs et les idées qui ont inspiré ce travail incluent la quête visant à simplifier le matériel des QRNG”, a déclaré Smith.

“En règle générale, les QRNG utilisent des composants photoniques tels que des lasers et des détecteurs, qui sont volumineux et nécessitent une manipulation spéciale lorsqu'ils sont assemblés avec de l'électronique. Cette complexité rend les QRNG plus difficiles à déployer à grande échelle et plus coûteux. Cependant, une technologie appelée « photonique intégrée » contribue à surmonter ces défis.

Les circuits photoniques intégrés permettent aux chercheurs de condenser tous les composants optiques centraux en une seule puce de seulement quelques millimètres. Smith et ses collègues ont tenté d'utiliser les technologies photoniques intégrées pour créer un circuit intégré photonique (PIC) qui pourrait simplifier la complexité de leur méthode QRNG, facilitant ainsi son futur déploiement à grande échelle.

“Ces dernières années, Toshiba a réalisé un certain nombre de progrès dans la technologie PIC, notamment en développant le premier système de distribution de clés quantiques (QKD) au monde basé sur une puce”, a déclaré Smith.

“Ce système QKD incorporait un PIC QRNG dans un boîtier papillon à 14 broches dont la sortie optique devait être couplée par fibre à une photodiode haute vitesse sur la carte électronique QRNG.”

L'objectif principal de la récente étude menée par l'équipe de Toshiba était de développer un QRNG à part entière basé sur un PIC avec uniquement des entrées et sorties électroniques. De plus, les chercheurs prévoyaient de déployer le QRNG sur des appareils réels pour valider son efficacité.

“En règle générale, les PIC sont testés dans des conditions contrôlées à l'aide d'équipements de laboratoire spécialisés”, a expliqué Smith. “Cette approche rend difficile l'évaluation des performances de cette technologie une fois déployée dans des systèmes réels, dans des conditions d'exploitation réelles.”

Smith et ses collègues ont conçu une carte de circuit imprimé compacte qui intègre le PIC qu'ils ont développé, appelé noyau d'entropie optique (OEC). OEC a un emballage standard qui ressemble à celui des autres puces électroniques et mesure 6 x 6 mm². Le circuit imprimé dans lequel il est intégré comprend des modules électroniques qui pilotent le PIC, ainsi que des modules qui lisent les signaux aléatoires générés.

“Alors, comment le signal aléatoire est-il produit ?” dit Smith. “Le PIC comprend deux lasers qui émettent des impulsions optiques avec des phases aléatoires dues au bruit quantique. Ces impulsions interfèrent les unes avec les autres, générant une impulsion d'intensité optique aléatoire, qui est ensuite convertie en un signal de courant aléatoire par un détecteur rapide. Le signal du détecteur est traité par la carte et converti en bits aléatoires qui peuvent être distribués à un débit très rapide (Gb/s).”

Le principal avantage du nouveau QRNG intégré basé sur la photonique est que son PIC sous-jacent est rentable et peut être assemblé sur des cartes électroniques à l’aide de méthodes d’assemblage en série conventionnelles. Cela pourrait faciliter son futur déploiement à grande échelle dans divers appareils électroniques, ce qui en ferait une alternative compétitive et plus performante aux PRNG.

“Nous avons construit huit cartes pour étudier la variabilité des performances entre différents appareils”, a déclaré Smith. “De plus, pour garantir la sécurité de sa production finale, le QRNG effectue des tests de santé sur la production de l'OEC pour vérifier qu'elle fonctionne en permanence comme prévu, en ajustant automatiquement les paramètres de conduite de l'OEC si nécessaire, ainsi qu'en calculant le taux de génération sécurisé qu'il peut obtenir en temps réel si ce taux baisse, le QRNG peut ajuster automatiquement le post-traitement pour garantir que le résultat final reste imprévisible.

Alors que les PIC sont généralement testés isolément à l'aide d'équipements spécialisés, le PIC développé par Toshiba peut être intégré de manière transparente à l'électronique et testé dans des environnements réels. Les premiers tests se sont révélés très prometteurs, démontrant que l'OEC peut fonctionner de manière aussi fiable que les autres composants électroniques standards.

“Nous avons intégré une carte QRNG dans un système QKD et l'avons exploitée en continu pendant 38 jours, produisant un signal aléatoire stable malgré d'importantes fluctuations de température”, a déclaré Smith. « Ce test démontre que notre QRNG est prêt à être déployé dans des systèmes réels, dans des conditions de fonctionnement réelles. Un autre point notable est que nous avons obtenu des performances très similaires des huit cartes, ce qui est essentiel pour établir une référence de performances.

L’étude récente de cette équipe de chercheurs représente une avancée clé dans le développement de QRNG photoniques intégrés et pourrait contribuer à leur futur déploiement de masse. Jusqu'à présent, Smith et ses collègues ont réussi à atteindre un taux de génération de bits aléatoires allant jusqu'à 8 Gbit/s, mais ils espèrent bientôt augmenter encore ce taux.

“Cela rendra ces QRNG attrayants pour les simulations et le calcul haute performance”, a ajouté Smith. “Nous prévoyons également de continuer à accroître la robustesse de nos QRNG pour garantir qu'ils peuvent fonctionner de manière fiable dans des cas d'utilisation réels.”

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