科学探索|科学家开发新技术:利用斯格明子快速生成真正的随机数

斯格明子(Skyrmion)是二维材料中出现的微小磁性异常,可用于生成在密码学和概率计算中有用的真正随机数 。无论是用于网络安全、游戏还是科学模拟,世界都需要真正的随机数,但生成它们比人们想象的要难 。布朗大学的一组物理学家近日开发出了一种新技术,利用斯格明子的特性有可能每秒产生数百万个随机数字 。

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他们的研究成果发表在《Nature Communications》期刊上,揭示了以前未曾探索过的单一斯格明子的动态 。大约在 50 年前刚被发现,斯格明子引发了物理学界的兴趣,因为它是通往利用粒子磁性的下一代计算设备的道路--这一领域被称为自旋电子学(spintronics) 。

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布朗大学物理系主任、该研究的资深作者肖刚(Gang Xiao,音译)说:“对斯格明子的全局动力学已经有很多研究,把它们的运动作为进行计算的基础 。但在这项工作中,我们表明斯格明子大小的纯随机波动也可以是有用的 。在这种情况下,我们表明,我们可以利用这些波动来生成随机数,可能每秒多达 1000 万位” 。

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计算机产生的大多数随机数在严格意义上并不是随机的 。计算机使用一种算法来生成基于初始起始位置的随机数,即种子数 。但由于用于生成数字的算法是确定的,所以这些数字并不是真正的随机 。如果有足够的关于算法或其输出的信息,有人就有可能在算法产生的数字中找到模式 。虽然伪随机数在许多情况下是足够的,但像数据安全这样的应用--使用不能被外界猜到的数字--需要真正的随机数 。
产生真正的随机数的方法常常借鉴自然界 。例如,流经电阻的电流的随机波动可以用来产生随机数 。其他技术则是利用量子力学中固有的随机性--粒子在最微小尺度上的行为 。
斯格明子直径通常约为 1 微米(百万分之一米)或更小,其行为有点像一种粒子,从一边到另一边在材料上飞驰 。一旦它们形成,它们就很难被摆脱 。由于它们如此坚固,研究人员对利用它们的运动来进行计算和存储数据感兴趣 。
【科学探索|科学家开发新技术:利用斯格明子快速生成真正的随机数】DOI: 10.1038/s41467-022-28334-4