🔬 materials science

True random number generation through stochastic magnonic bistability

تقدم هذه الورقة مولداً مغنونياً للأرقام العشوائية الحقيقية يستفيد من التبديل العشوائي في النظام ثنائي الاستقرار لديناميكيات الموجة المغزلية على شريط دقيق من غارنيت الحديد واليتريوم لإنتاج تدفقات بت عشوائية عالية الجودة بسرعة 20 ميجابت في الثانية، مما يثبت الامتثال لمعاي معهد (NIST) والقابلية للتوسع إلى الأبعاد النانوية.

المؤلفون الأصليون: Mengying Guo, Zhenyu Zhou, Denys Slobodianiuk, Roman Verba, Kristýna Davídková, Xueyu Guo, Xudong Jing, Yueqi Wang, Björn Heinz, Yiheng Rao, Carsten Dubs, Caihua Wan, Xiufeng Han, Andrii V. Chumak, Ph

نُشر 2026-04-22

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Mengying Guo, Zhenyu Zhou, Denys Slobodianiuk, Roman Verba, Kristýna Davídková, Xueyu Guo, Xudong Jing, Yueqi Wang, Björn Heinz, Yiheng Rao, Carsten Dubs, Caihua Wan, Xiufeng Han, Andrii V. Chumak, Philipp Pirro, Qi Wang

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تحاول بناء حاسوب يمكنه اتخاذ قرارات غير متوقعة حقًا، مثل رمي عملة معدنية لا تتأثر أبدًا بالرياح أو الطاولة أو الشخص الذي يرميها. هذا هو الهدف الأسمى لمولدات الأرقام العشوائية الحقيقية (TRNGs). إنها المكون السري وراء كلمات المرور الآمنة، والخدمات المصยกة عبر الإنترنت، والمحاكاة المتقدمة.

ومع ذلك، فإن معظم مولدات الأرقام "العشوائية" الحالية تشبه عملة معدنية منحرفة قليلاً؛ فهي سريعة، لكنها غالبًا ما تحتاج إلى الكثير من البرمجيات الإضافية لـ "إصلاح" انحيازها، أو أنها كبيرة جدًا وتستهلك طاقة كبيرة بحيث لا يمكن وضعها على شريحة صغيرة.

يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من مولدات الأرقام العشوائية يسمى مولد الأرقام العشوائية الماجنوني (mRNG). فكر فيه كأنه "مفتاح سحري" مصنوع من موجات مغناطيسية يولد عشوائية مثالية بشكل طبيعي، دون الحاجة إلى أي تنظيف برمجيات.

إليك كيف يعمل، مشروحًا من خلال تشبيهات بسيطة:

1. المسرح: محيط مغناطيسي

تخيل ورقة رقيقة من مادة مغناطيسية خاصة (إيتريوم آيرون جارنيت - Yttrium Iron Garnet) كمحيط هادئ. فوق هذا المحيط، لدينا شريط معدني صغير (هوائي) يعمل كمكبر صوت. عندما نرسل إشارة ميكروويف عبر هذا الشريط، فإننا ننشئ موجات لفية (spin waves) (تموجات) في المحيط المغناطيسي.

2. المنحدر ثنائي الاستقرار: حالتان مستقرتان

اكتشف الباحثون أنه تحت ظروف معينة، يحتوي هذا المحيط المغناطيسي على "منحدر".

الحالة (أ) (الوادي): تكون الموجات صغيرة وهادئة.
الحالة (ب) (الجبل): تكون الموجات ضخمة ومليئة بالطاقة.

عادةً، إذا دفعت النظام بلطف، فسيظل في الوادي. وإذا دفعته بقوة، فسوف يقفز إلى الجبل. ولكن هناك "منطقة رمادية" مخادعة في المنتصف حيث يكون النظام غير مقرر. إنه يشبه كرة مستقرة تمامًا على قمة تلة؛ يمكنها أن تتدحرج يسارًا أو يمينًا، لكنها تحتاج إلى دفعة صغيرة.

3. الدفعة السحرية: الضوضاء الحرارية

هذا هو المكون السري: الحرارة. حتى في درجة حرارة الغرفة، تتحرك الذرات ذهابًا وإيابًا. في هذا النظام المغناطيسي، تعمل هذه الهزات الصغيرة (الضوضاء الحرارية) كأنها رياح عشوائية غير مرئية تضرب تلك الكرة على التلة.

يرسل الباحثون "نبضة تحفيز" محددة للنظام. وبسبب الحرارة، أحيانًا تدفع الرياح الكرة نحو الجبل (موجة عالية)، وأحيانًا تدفعها عائدة إلى الوادي (موجة منخفضة).

النتيجة: لا يمكنك التنبؤ بأي اتجاه ستذهب؛ فهي عشوائية حقًا، مدفوعة بالفوضى الأساسية للطبيعة.

4. قراءة رمي العملة

كيف نعرف ما إذا كانت قد ذهبت إلى الجبل أم إلى الوادي؟

يستخدم الباحثون مستشعرات كهربائية للاستماع إلى الموجات.
إذا كانت الموجة كبيرة، تنخفض الإشارة الكهربائية قليلاً (المنطق "1").
إذا كانت الموجة صغيرة، تظل الإشارة مرتفعة (المنطق "0").

لقد اختبروا ذلك مليارات المرات، ومرت سلسلة الـ 1 والـ 0 الناتجة بجميع الاختبارات القياسية للعشوائية (مثل اختبارات NIST التي تستخدمها الحكومات والبنوك). والأهم من ذلك، لم يحتاجوا إلى أي برمجيات لـ "إصلاح" الأرقام؛ فالعتاد نفسه أنتج عشوائية مثالية.

5. لماذا يعد هذا أمرًا مهمًا؟ (القوى الخارقة)

يمتلك هذا الجهاز الجديد ثلاث قوى خارقة تجعله أفضل من التكنولوجيا الحالية:

السرعة: يمكنه رمي العملات 20 مليون مرة في الثانية (ويمكن أن يكون أسرع من ذلك بكثير).
الحجم: أثبتوا أن هذا يعمل حتى لو قلصنا "المحيط" إلى عرض الفيروس (200 نانومتر). وهذا يعني أنه يمكن بناؤه مباشرة على شرائح الكمبيوتر.
ميزة "الموجة": هذا هو الجزء الأروع. معظم المولدات العشوائية تخرج فقط إشارة كهربائية، أما هذا الجهاز فيولد موجات مغناطيسية فعلية تنتقل عبر الشريحة.
- تشبيه: تخيل أن مولد الأرقام العشوائية القياسي هو شخص يصرخ برقم عشوائي، بينما هذا المولد الجديد هو شخص يصرخ برقم ويرسل أيضًا تموجًا ماديًا عبر الحشد يمكن للآخرين الشعور به والتفاعل معه. هذا يسمح بـ "الحوسبة في المكان"، حيث تُستخدم العشوائية فورًا لحل مشكلات معقدة (مثل الذكاء الاصطناعي أو التشفير) دون الحاجة لنقل البيانات ذهابًا وإيابًا.

6. خدعة المضاعف

أظهر الفريق أيضًا أنه يمكنهم توصيل جهازيْن من هذه الأجهزة معًا.

تخيل شخصين يرميان عملاتهما السحرية الخاصة.
إذا جمعت نتائجهما، يمكنك إجراء "ضرب" للاحتمالات.
هذا يثبت أن هذه الأجهزة يمكن أن تعمل معًا في دائة كهربائية للقيام بعمليات حسابية معقدة، وليس فقط لتوليد الأرقام.

الخلاصة

يقدم هذا البحث طريقة جديدة لتوليد العشوائية باستخدام الموجات المغناطيسية والحرارة بدلاً من الإلكترونيات المعقدة أو الليزرات المكلفة. إنه سريع، صغير الحجم، موفر للطاقة، وينتج عشوائية "نقية" جاهزة للاستخدام فورًا. إنه خطوة كبيرة نحو بناء حواسيب أسرع، وأكثر أمانًا، وقادرة على حل المشكلات التي لا تستطيع آلات اليوم التعامل معها.

1. بيان المشكلة

تعد مولدات الأرقام العشوائية الحقيقية (TRNGs) بالغة الأهمية في التشفير الحديث، ومحاكاة مونت كارلو، والحوسبة الاحتمالية. ومع ذلك، تواجه تقنيات TRNG الحالية مقايضات كبيرة بين السرعة، والقابلية للتوسع، وجودة الإنتروبيا:

مولدات TRNG التقليدية (الضوضاء الحرارية، تذبذب المذبذبات، عدم استقرار الدوائر) غالبًا ما تتطلب معالجة لاحقة مكثفة لإزالة الانحياز واجتياز اختبارات العشوائية الإحصائية.
مولدات RNG الضوئية الكمومية توفر إنتروبيا عالية ولكنها تعتمد على بصريات دقيقة باهظة الثمن وضخمة يصعب دمجها على الرقاقة.
مولدات RNG القائمة على السبينترونيك (MTJ) والممريستور تعاني من متطلبات تصنيع معقدة، وعمر محدود (تتدهور الممريستورات بعد $10^6$ – $10^8$ دورة)، وضعف في إمكانية إعادة إنتاج الجهاز لجهاز آخر.
الفجوة: هناك حاجة إلى منصة فيزيائية تولد عشوائية عالية الجودة بشكل جوهري، وتكون قابلة للتوسع إلى أبعاد النانو، وتستهلك طاقة منخفضة، ومتوافقة مع البنى المتكاملة دون الحاجة إلى معالجة لاحقة ثقيلة.

2. المنهجية

يقترح المؤلفون مولد أرقام عشوائية مانيوني (mRNG) يستغل العشوائية الجوهرية لديناميكيات موجات السبن (الماجنون) في نظام ثنائي الاستقرار غير الخطي.

بنية الجهاز:
- المادة: فيلم رقيق من غارنيت الإيتريوم والحديد (YIG) بسمك 330 نانومتر، المعروف بخمود مغناطيسي منخفض.
- الهيكل: هوائي ميكروي من الذهب بعرض 5 ميكرومتر تم تصنيعه عبر تقنية الليثوغرافيا الضوئية القياسية على فيلم YIG.
- التكوين: يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي (330 مللي تسلا) خارج المستوى لإثارة موجات سبن ذات حجم أمامي.
آلية الإثارة:
- يعمل النظام في نافذة ثنائية الاستقرار (بعرض ~80 ميجاهرتز) حيث يتواجد حالتان متميزتان لموجات السبن (سعة منخفضة وعالية).
- نبضة الانحياز: يتم تطبيق إشارة ميكروويف مستمرة (مثل 5.02 جيجاهرتز) داخل نافذة الاستقرار الثنائي، ولكنها غير كافية لتحفيز حالة السعة العالية من نقطة البداية ذات التعداد الصفري.
- نبضة التحفيز: يتم تطبيق نبضة ميكروويف ثانوية (مثل 4.5 جيجاهرتز) لتغيير طيف موجات السبن بشكل حتمي عبر إزاحات تردد الأنماط غير الخطية.
- التبديل العشوائي: يؤدي التفاعل بين عدم الخطية القوية للنظام وتقلبات الماجنون الحرارية إلى جعل عتبة الإثارة الفعالة تتقلب. وبناءً على ذلك، تقوم نبضة التحفيز بالتبديل عشوائياً بين حالات السعة المنخفضة والعالية باحتمالية ( $P$ ) تعتمد على قدرة التحفيز.
الكشف:
- كهربائياً: يتم التقاط إشارات الميكروويف المنعكسة والمرسلة عبر ديود سريع وراسم إشارة (Oscilloscope). ويميز غلاف الجهد بين المنطق "0" (عدم حدوث تبديل) والمنطق "1" (حدوث تبديل).
- بصرياً: يُستخدم مطياف تشتت بريلوين الضوئي المجهري (μBLS) لقياس شدة موجة السبن والتحقق من الطبيعة العشوائية للتحولات.
اختبار القابلية للتوسع: تم توسيع المفهوم ليشمل موجهات موجية نانوية (تصل إلى عرض 200 نانومتر) لاختبار إمكانات التصغير.

3. المساهمات الرئيسية

مصدر إنتروبيا فيزيائي جوهري: إثبات أن التقلبات الحرارية في نظام مانيوني ثنائي الاستقرار غير الخطي يمكن أن تعمل كمصدر قوي وجوهري للعشوائية الحقيقية، مما يلغي الحاجة إلى معالجة لاحقة معقدة.
تدفقات بتات خام متوافقة مع معايير NIST: يولد mRNG تدفقات بتات خام تجتاز جميع اختبارات NIST SP 800-22 الإحصائية الـ 15 دون أي تكييف أو معالجة لاحقة، وهو إنجاز نادراً ما يتحقق في أجهزة TRNG.
قدرة المخرجات المزدوجة: بشكل فريد، لا يتم تشفير العشوائية كإشارة جهد كهربائي فحسب، بل أيضاً كـ ماجنونات منتشرة. وهذا يسمح بدمج البتات العشوائية مباشرة في الدوائر المانيونية للمعالجة الاحتمالية في الموقع.
المنطق الاحتمالي للأجهزة: تم تنفيذ مضاعف بتات عشوائية بنجاح باستخدام اثنين من mRNG المتزامنين، مما أثبت أن الماجنونات العشوائية يمكنها إجراء عمليات احتمالية (مثل عملية AND المنطقية) مباشرة في الأجهزة.
القابلية للتوسع: أثبت المفهوم أنه يعمل في موجهات موجية يصل عرضها إلى 200 نانومتر، مما يمهد الطريق نحو TRNG مانيوني متكامل ونانوي.

4. النتائج

الأداء الإحصائي:
- تم توليد 85 مليون بت ثنائي مقسمة إلى 85 تسلسلاً.
- اجتازت جميع التسلسلات مجموعة اختبارات NIST SP 800-22 الكاملة.
- يتبع احتمال التبديل منحنى سيجمويدي (Sigmoidal) بالنسبة لقدرة التحفيز، وهو ما يطابق النماذج النظرية القائمة على توزيعات الضوضاء الحرارية الغاوسية.
السرعة:
- حقق معدل توليد قدره 20 ميجابت/ثانية باستخدام فترات نبض مدتها 50 نانو ثانية.
- تشير التوقعات النظرية إلى إمكانية الوصول إلى معدلات تصل إلى 1 جيجابت/ثانية مع تحسين المواد والمعدات.
العرض على مستوى الدائرة (المضاعف):
- تم دمج اثنين من mRNG المستقلين. ومن خلال ضبط احتمالات المدخلات $P_1 \approx 0.5$ و $P_2 \approx 0.2$ ، أنتج المخرج المجمع احتمال حاصل ضرب $P_3 \approx 0.1066$ ، وهو ما يطابق تماماً القيمة النظرية ( $P_1 \times P_2 = 0.10619$ ).
- يؤكد هذا القدرة على إجراء عملية الضرب الاحتمالي على مستوى الأجهزة.
القابلية للتوسع:
- لوحظ السلوك العشوائي (الاستجابة السيجمودية) في موجهات موجية تتراوح من 20 ميكرومتر إلى 200 نانومتر.
- بينما تحد حساسية الكشف الكهربائي الحالية من القراءة الموثوقة للعروض التي تقل عن ~5 ميكرومتر، إلا أن الظاهرة الفيزيائية تستمر عند مقياس 200 نانومتر، مما يشير إلى إمكانية التكامل المستقبلي مع طرق كشف أكثر حساسية (مثل تأثير سال دوران هول العكسي).

5. الأهمية

يؤسس هذا العمل لـ الثنائية الاستقرار المانيونية كمنصة عالية الأداء للجيل القادم من توليد الأرقام العشوائية.

التفوق على التقنيات الحالية: يجمع بين جودة الإنتروبيا العالية لـ RNG الكمومية وقابلية التوسع المتوافقة مع CMOS لـ TRNG الإلكترونية، مع تجنب مشاكل العمر الافتراضي للممريستور وصعوبات التكامل للبصريات الكمومية.
تمكين البنى الجديدة: القدرة على إصدار العشوائية كـ ماجنونات منتشرة تفتح مساراً مباشراً لـ الشبكات العصبية العشوائية و بنى الحوسبة الاحتمالية (مثل آلات Ising) حيث تكون العشوائية جزءاً أصيلاً من الوسط الحسابي بدلاً من كونها مدخلاً خارجياً.
الأمن والتكامل: توفر المنصة عمراً افتراضياً غير محدود، واستهلاكاً منخفضاً للطاقة، وإمكانية التكامل على الرقاقة، مما يجعلها مرشحاً قوياً لتطبيقات أمن الأجهزة ومعالجة الإشارات المتقدمة في الدوائر المانيونية المتكاملة.