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5 de Marzo de 2021
Física cuántica

El generador de números aleatorios más rápido jamás construido

Un nuevo sistema basado en un láser genera aleatoriedad cuántica a una velocidad sin precedentes de 250 billones de bits por segundo. 

Un equipo de investigadores ha construido, a partir de un láser, el generador de números aleatorios más rápido fabricado hasta la fecha. El sistema aprovecha las fluctuaciones en la intensidad de la luz para generar aleatoriedad (un recurso crucial en aplicaciones como la encriptación de datos y las simulaciones científicas) y podría dar lugar a dispositivos lo bastante pequeños como para caber en un solo chip.

Producir aleatoriedad es sorprendentemente difícil. Los algoritmos de los ordenadores convencionales pueden generar secuencias de números que parecen aleatorios en un principio, pero que con el tiempo tienden a mostrar pautas. Esto hace que sean predecibles (al menos en parte) y, por lo tanto, vulnerables a la decodificación.

Para hacer más segura la encriptación, los investigadores han recurrido a la mecánica cuántica, donde las leyes de la física garantizan que los resultados de ciertos procesos (como la desintegración de un átomo radiactivo) son realmente aleatorios.

Una estrategia habitual para aprovechar la aleatoriedad cuántica es emplear las fluctuaciones en la emisión de fotones por parte de los materiales empleados en los láseres. Los láseres típicos están diseñados para minimizar esas fluctuaciones y producir luz con una intensidad constante: hacen que las ondas electromagnéticas reboten en el interior del material para obligar a sus átomos a emitir más y más fotones de forma sincronizada.

Pero para generar números aleatorios, los investigadores pretenden justo lo contrario. «Queremos que la intensidad fluctúe aleatoriamente, para poder digitalizarla y generar números aleatorios», explica Hui Cao, experta en física aplicada de la Universidad Yale.

Varios órdenes de magnitud más rápido

Cao y su equipo fabricaron el material para su láser (un semiconductor translúcido) con forma de pajarita. Los fotones rebotan varias veces en las paredes curvadas de la pajarita antes de escapar como un haz disperso. Entonces los investigadores pueden captar la luz con una cámara ultrarrápida.

Un semiconductor con forma de pajarita (imagen obtenida con un microscopio de barrido electrónico) produce un haz láser cuya intensidad fluctúa de manera aleatoria. [<a href="https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6" target="_blank"><em>Nature News</em>/Kyungduk Kim</a>]

El equipo registró la luz recibida por 254 píxeles independientes que, en conjunto, produjeron bits aleatorios a un ritmo de unos 250 billones de bits por segundo (250 terahercios). Esta velocidad supera en varios órdenes de magnitud la de los anteriores dispositivos de este tipo, que solo registraban un píxel a la vez. Los resultados se publicaron en la revista Science el pasado 26 de febrero.

El nuevo sistema «representa un gran salto en el rendimiento de los generadores de números aleatorios», afirma Krister Shalm, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos.

Los ordenadores más rápidos tienen frecuencias de reloj del orden de los gigahercios, así que son demasiado lentos para aprovechar toda la potencia del dispositivo de Cao. El tamaño del sistema podría reducirse usando detectores de luz más sencillos, en vez de una cámara de alta velocidad. Con el tiempo, eso podría dar lugar a dispositivos lo bastante pequeños como para caber en un solo chip, asegura Cao, los cuales podrían tener aplicaciones útiles, como la encriptación en los teléfonos móviles.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser», Kyungduk Kim et al. en Science, vol. 371, págs. 948-952, 26 de febrero de 2021.

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