Ученые выяснили, что скирмионы — крошечные магнитные аномалии, возникающие в двумерных материалах, можно использовать для генерации настоящих случайных чисел. Например, с пользой применять в криптографии и вероятностных вычислениях.
Миру нужны настоящие случайные числа в совершенно разнообразных сферах: будь то кибербезопасность, разработка игр или научное моделирование. Но на самом деле генерировать их сложнее, чем можно себе представить. Кажется, эту проблему сможет решить новый метод, разработанный группой физиков из Университета Брауна: с его помощью можно генерировать миллионы случайных чисел в секунду, используя поведение скирмионов.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает ранее неизведанную динамику одиночных скирмионов. Обнаруженные около полувека назад, скирмионы вызвали интерес в физике как элемент вычислительной техники нового поколения, использующий преимущества магнитных свойств частиц — области, известной как спинтроника.
«Было проведено много исследований глобальной динамики скирмионов с использованием их движений в качестве основы для выполнения вычислений. В этой работе мы показываем, что могут быть полезны и чисто случайные колебания размера скирмионов. Получается, что можно использовать эти колебания для генерации случайных чисел — до 10 млн в секунду», — рассказал Ган Сяо, заведующий кафедрой физики Брауна и старший автор исследования.
Большинство случайных чисел, выдаваемых компьютерами, на самом деле не являются случайными в самом строгом смысле этого слова. Компьютеры используют алгоритм для генерации случайных чисел на основе начальной цифры и поскольку установленный алгоритм заранее предопределен, получившиеся числа не являются по-настоящему случайными. Имея достаточно информации об алгоритме или его выходных данных, можно найти закономерности в числах, которые он выдает.
Методы получения настоящих случайных чисел часто опираются на мир природы. Например, для генерации случайных чисел можно использовать случайные колебания электрического тока, протекающего через резистор. Другие методы используют присущую квантовой механике случайность — поведение частиц в мельчайших масштабах.
Новое исследование добавляет скирмионы в список настоящих генераторов случайных чисел. Скирмионы возникают из-за «закручивания» электронов в сверхтонких материалах. Спин можно рассматривать как крошечный магнитный момент каждого электрона, который направлен вверх, вниз или находится где-то посередине. Некоторые двумерные материалы в своих самых низких энергетических состояниях обладают свойством, называемым перпендикулярной магнитной анизотропией — это значит, что все спины электронов направлены в направлении, перпендикулярном пленке. Когда эти материалы возбуждаются электричеством или магнитным полем, некоторые спины электронов вращаются по мере увеличения энергии системы. Когда это происходит, спины окружающих электронов в некоторой степени сопротивляются, образуя магнитный водоворот, окружающий перевернутый электрон — скирмион.
Скирмионы обычно имеют диаметр около 1 мкм (миллионная доля метра) или меньше и ведут себя как некие частицы, проносящиеся по материалу из одного конца в другой.
Исследование показывает, что в дополнение к глобальному движению скирмионов по материалу также может быть применимым локальное поведение отдельных скирмионов. Чтобы провести исследование, ученые изготовили тонкие магнитные пленки, используя технику, которая создавала тонкие дефекты в атомной решетке материала. Когда в материале образуются скирмионы, эти дефекты, которые исследователи называют центрами закрепления, прочно удерживают их на месте, а не позволяют им двигаться как обычно.
Исследователи обнаружили, что когда скирмион удерживается на месте, его размер случайным образом колеблется. Когда одна его часть плотно прижата к одному центру закрепления, остальная часть прыгает назад и вперед, обвивая два соседних центра закрепления.
«Каждый скирмион прыгает туда-сюда между большим и маленьким диаметром. Мы можем измерить колебание, происходящее случайным образом, и использовать его для генерации случайных чисел», — сказал Ван.
Изменение размера скирмиона измеряется с помощью так называемого аномального эффекта Холла, который представляет собой напряжение, распространяющееся по материалу. Это напряжение чувствительно к перпендикулярной составляющей электронных спинов. Когда размер скирмиона изменяется, напряжение меняется до степени, которую довольно легко измерить. И эти случайные изменения напряжения можно использовать для создания строки случайных цифр.
Исследователи подсчитали: оптимизировав расстояние между дефектами в устройстве, они могут производить до 10 млн случайных цифр в секунду, обеспечивая новый и высокоэффективный метод получения истинных случайных чисел.
«Это дает нам новый способ генерации настоящих случайных чисел, которая может быть применима во многих приложениях», — отметил ученый.
Читать далее
Посмотрите на первый в мире одноступенчатый орбитальный корабль будущего
Три года ученые считали, что на юге Марса есть вода. Оказалось, это не так
Гиперзвуковой самолет на водороде развивает скорость до 12 Махов. Это почти 15 000 км/ч