Demonstration of quantum random number generation using nitrogen vacancy centres

Este artículo presenta una demostración experimental de generación de números aleatorios cuánticos de alta velocidad utilizando centros de vacante de nitrógeno en nanodiamantes fluorescentes, logrando tasas de generación de hasta 4,77 Mbits/s que superan pruebas estadísticas estándar sin postprocesamiento y ofrecen una solución compacta en chip.

Lo esencial

La Gran Idea: Generar Aleatoriedad Verdadera a partir de Pequeños Diamantes

Imagina que necesitas elegir un número para una lotería, pero no quieres que nadie pueda adivinarlo. En una computadora normal, los números "aleatorios" en realidad son solo trucos inteligentes. Siguen una receta secreta (una fórmula) que comienza con un número semilla. Si conoces la receta y la semilla, puedes predecir el siguiente número. Es como un mago que siempre saca el mismo conejo del mismo sombrero porque ha practicado el truco.

Este artículo trata sobre construir una máquina que no usa trucos. En su lugar, utiliza las leyes fundamentales del universo, específicamente el hecho de que la naturaleza es verdaderamente impredecible a la escala más pequeña, para generar números que nadie podrá predecir jamás.

La Herramienta Mágica: "Átomos Artificiales" en Diamantes

Los investigadores utilizaron diminutos fragmentos de diamante, llamados nanodiamantes. Dentro de estos diamantes hay pequeñas imperfecciones llamadas centros de Vacancia de Nitrógeno (NV). Imagina estas imperfecciones como "átomos artificiales" atrapados dentro del diamante.

Cuando haces brillar una luz láser verde sobre estas imperfecciones, se excitan y luego se relajan inmediatamente, emitiendo una sola partícula de luz llamada fotón.

• La Analogía: Imagina un grano de palomitas de maíz. Cuando lo calientas (el láser), explota (emite un fotón). El momento exacto en que explota es completamente aleatorio. No puedes predecir si explotará a 1.00 segundos o a 1.000001 segundos. Ese instante de tiempo es la fuente de la aleatoriedad.

El Experimento: Atrapar las Explosiones

El equipo configuró un microscopio de alta tecnología para hacer brillar un láser sobre estos nanodiamantes y atrapar los fotones a medida que salían disparados. Probaron cinco "regiones" diferentes en su muestra:

1. Región 1: Un solo diamante con solo una centro NV (un grano de palomitas).
2. Región 2: Un diamante con dos centros NV.
3. Región 3: Un diamante con cuatro centros NV.
4. Región 4: Un grupo de diamantes con aproximadamente 17 centros NV.
5. Región 5: Un grupo grande con poco menos de 50 centros NV.

Cómo Convirtieron el Tiempo en Números

Utilizaron un método llamado esquema de "Tiempo de Llegada".

• La Analogía: Imagina un reloj que hace tictac muy rápido. Cada vez que el reloj hace tictac, se reinicia. Los investigadores dividieron cada tictac en 256 rebanadas diminutas (como cortar un pastel en 256 trozos).
• Cuando llega un fotón, los investigadores verifican en qué "rebanada" del tictac cayó.
• Si cae en la rebanada #1, eso es un número específico. Si cae en la rebanada #256, eso es un número diferente.
• Como el tiempo de llegada del fotón es verdaderamente aleatorio, la rebanada en la que cae también es verdaderamente aleatoria.

Los Resultados: Velocidad y Calidad

El artículo reporta dos logros principales:

1. Velocidad (La Tasa de Generación)

• Con solo un centro NV, generaron números aleatorios a una velocidad de 0.173 millones de bits por segundo.
• Con el grupo grande (Región 5) que contenía casi 50 centros NV, la velocidad saltó a 4.77 millones de bits por segundo.
• La Comparación: Esta es una mejora masiva. Experimentos anteriores que utilizaban imperfecciones de diamante similares eran mucho más lentos (algunos eran solo miles de bits por segundo). Al utilizar un grupo de centros, hicieron el proceso aproximadamente 10 veces más rápido que los mejores intentos anteriores con esta tecnología específica.

2. Calidad (La Prueba de "Aleatoriedad Verdadera")

• A veces, los generadores aleatorios tienen un ligero "sesgo" (como una moneda que cae en cara el 51% de las veces). Para corregir esto, las computadoras usualmente deben realizar matemáticas adicionales para limpiar los datos.
• El Hallazgo: Los investigadores descubrieron que sus números eran tan perfectamente aleatorios que pasaron las pruebas industriales más estrictas (llamadas pruebas ENT y NIST) sin necesidad de ninguna limpieza.
• La Analogía: Es como lanzar un dado y obtener un resultado perfectamente justo cada vez, por lo que no necesitas desechar los lanzamientos "malos". Los datos crudos ya eran perfectos.

Por Qué Esto Importa (Según el Artículo)

El artículo concluye que esta configuración es una forma robusta de generar números aleatorios de alta calidad.

• Compactación: Debido a que los nanodiamantes son diminutos, esta tecnología eventualmente podría integrarse en un chip de computadora pequeño (en el chip).
• Seguridad: Dado que la aleatoriedad proviene de la propia naturaleza, es mucho más difícil de hackear o predecir que los números aleatorios "falsos" utilizados en el software estándar.

Resumen

Los investigadores demostraron que al hacer brillar un láser sobre pequeñas imperfecciones en diamantes y cronometrar exactamente cuándo salen disparadas las partículas de luz, pueden crear un flujo de números que es verdaderamente impredecible. Al utilizar un grupo de estas imperfecciones, hicieron el proceso lo suficientemente rápido para ser útil en aplicaciones del mundo real, todo sin necesidad de realizar matemáticas complejas para corregir los números posteriormente.

Resumen técnico

A continuación se presenta un resumen técnico detallado del artículo "Demonstration of quantum random number generation using nitrogen vacancy centres" (Demostración de generación de números aleatorios cuánticos utilizando centros de vacancia de nitrógeno), de Conrad Strydom y Mark Tame.

1. Planteamiento del Problema

Los números aleatorios son críticos para la criptografía y las simulaciones de Monte Carlo. Sin embargo, los generadores de números pseudoaleatorios (PRNG) clásicos son deterministas y pueden ser predichos por algoritmos de aprendizaje automático, lo que plantea riesgos de seguridad. Aunque los generadores de números aleatorios cuánticos (QRNG) ofrecen una imprevisibilidad real basada en la mecánica cuántica, las implementaciones existentes enfrentan compensaciones:

• Voluminosidad: Los primeros QRNG que utilizaban desintegración radiactiva eran grandes y lentos.
• Complejidad/Velocidad: Los QRNG fotónicos basados en "trayectorias de ramificación" (divisores de haz) son robustos, pero sufren tasas de generación más bajas porque típicamente extraen solo un bit por fotón.
• Procesamiento posterior: Muchos esquemas requieren una extracción de aleatoriedad compleja o un procesamiento posterior para eliminar el sesgo, lo que reduce la tasa de generación final.
• Limitaciones de la fuente: Los QRNG anteriores que utilizaban centros de vacancia de nitrógeno (NV) en diamante se limitaban al esquema de trayectorias de ramificación, resultando en tasas de generación bajas (por ejemplo, < 1 Mbit/s).

Los autores tienen como objetivo demostrar un esquema de QRNG basado en el tiempo de llegada (ToA) utilizando centros NV en nanodiamantes fluorescentes. Este enfoque promete mayores velocidades, hardware más simple (solo fuente + detector) y la capacidad de generar números aleatorios de alta calidad sin procesamiento posterior.

2. Metodología

Configuración Experimental

Los investigadores utilizaron una configuración de microscopía confocal de escaneo láser para excitar centros NV en nanodiamantes fluorescentes y recolectar los fotones emitidos.

• Excitación: Se utilizó un láser verde de onda continua (CW) (532 nm) para impulsar los centros NV desde el estado fundamental a un estado excitado.
• Muestra: Nanodiamantes fluorescentes (diámetro aprox. 40 nm) fueron recubiertos mediante centrifugado sobre un cubreobjetos de vidrio. La muestra contenía regiones con cantidades variables de centros NV (desde centros individuales hasta agrupaciones de ~50).
• Detección: Los fotones emitidos (fluorescencia > 567 nm) fueron recolectados, filtrados (600–800 nm) y dirigidos a un diodo de avalancha de fotón único (SPAD).
• Temporización: Un convertidor tiempo-digital TimeHarp 260 PICO de PicoQuant registró los tiempos de llegada de los fotones con una precisión de 25 ps.

El Esquema de Tiempo de Llegada (ToA)

A diferencia de los esquemas de trayectorias de ramificación, el esquema ToA genera números aleatorios basándose en cuándo llega un fotón en relación con un reloj externo.

• El eje temporal se divide en intervalos periódicos de longitud $T$.
• Cada intervalo se subdivide en $M$ contenedores (bins) (donde $M=256$, lo que produce 8 bits por fotón).
• El índice del contenedor en el que llega un fotón constituye el número aleatorio.
• Restricción Clave: El intervalo $T$ (12.8 ns) se estableció para ser más corto que el tiempo muerto del detector (24 ns) para asegurar que se registre como máximo un fotón por intervalo, satisfaciendo la condición para una distribución uniforme.

Caracterización

Antes de la generación de QRNG, los autores caracterizaron cinco regiones específicas de interés (R1–R5) en la muestra:

1. Escaneo de Fluorescencia: Para localizar los nanodiamantes.
2. Correlación de Segundo Orden ($g^{(2)}(\tau)$): Medida utilizando un interferómetro Hanbury Brown y Twiss para determinar el número de centros NV ($N$) en cada región.
   • R1: 1 centro NV.
   • R2: 2 centros NV.
   • R3: 4 centros NV.
   • R4: ~17 centros NV.
   • R5: ~49 centros NV.
3. Análisis Espectral: Utilizado para distinguir entre centros neutros ($NV^0$) y centros con carga negativa ($NV^-$).

3. Contribuciones Clave

1. Primer QRNG ToA con Centros NV: Esta es la primera demostración experimental del esquema de QRNG de tiempo de llegada utilizando fotones individuales emitidos por centros NV en nanodiamantes. Los QRNG anteriores basados en NV dependían del esquema de trayectorias de ramificación.
2. Marco Teórico para Emisores de Múltiples Fotones: Los autores derivaron un modelo teórico para la entropía mínima de un esquema ToA que utiliza $N$ emisores de fotones individuales independientes con contaminación de fondo. Generalizaron la teoría de un solo emisor a múltiples emisores, teniendo en cuenta eventos de emisión de múltiples fotones dentro del contenedor de tiempo.
3. Generación de Alta Tasa y Sin Procesamiento Posterior: El estudio demuestra que, al utilizar agrupaciones de centros NV, la tasa de generación puede aumentarse significativamente mientras se mantiene una alta calidad de aleatoriedad que supera las pruebas estándar de la industria sin ninguna extracción de aleatoriedad o procesamiento posterior.
4. Análisis de Escalabilidad: El trabajo proporciona una hoja de ruta para escalar las tasas de QRNG en chip aumentando el número de emisores, mostrando que incluso con contaminación de múltiples fotones, la calidad estadística se mantiene alta.

4. Resultados

Tasas de Generación

Las tasas de generación de números aleatorios aumentaron significativamente con el número de centros NV:

• Centro NV Individual (R1): 0.173 Mbits/s.
• ~50 Centros NV (R5): 4.77 Mbits/s.
• Comparación: La tasa de 4.77 Mbits/s representa una mejora de un orden de magnitud sobre la tasa más alta reportada previamente para QRNG de centros NV (0.76 Mbits/s utilizando trayectorias de ramificación).

Calidad Estadística

• Entropía Mínima: El análisis teórico mostró que la entropía mínima ($H_\infty$) está extremadamente cerca del valor ideal de 1.0 bit por bit para todas las regiones (por ejemplo, 0.999975 para R1, 0.999314 para R5).
• Pruebas Estadísticas: Muestras de 800 Mbit de las cinco regiones pasaron:
  • Suite de Pruebas ENT: Incluyendo pruebas de entropía, chi-cuadrado, media aritmética y correlación serial.
  • Suite de Pruebas Estadísticas NIST: Diseñada específicamente para aplicaciones criptográficas.
• Uniformidad: La frecuencia relativa de 0s y 1s fue aproximadamente 0.5 para todas las regiones.
• Correlación: Los coeficientes de correlación de Pearson para retardos de hasta 15 bits fueron cercanos a cero, indicando que no hay correlación serial.

Comparación con Trabajos Anteriores

La implementación actual supera a los QRNG anteriores de centros NV en velocidad por un factor de ~60 (en comparación con 34.37 bits/s) y ~6x (en comparación con 0.76 Mbits/s), al tiempo que elimina la necesidad de procesamiento posterior (a diferencia de muchos otros esquemas de alta velocidad que requieren hashing).

5. Significado

• Potencial Robusto en Chip: La simplicidad del esquema ToA (que requiere solo una fuente y un detector) lo hace altamente adecuado para la integración en dispositivos cuánticos compactos y en chip. Los autores señalan que la futura integración con excitación y detección eléctrica en chip podría conducir a chips QRNG altamente robustos y de velocidad moderada.
• Criptografía Práctica: La capacidad de generar números aleatorios criptográficamente seguros a tasas de varios Mbit/s sin un procesamiento posterior complejo es un paso significativo hacia la criptografía cuántica práctica y de alta velocidad.
• Generalizabilidad: Aunque se centra en los centros NV, los resultados experimentales y teóricos se extienden a otras fuentes de fotones individuales en estado sólido y centros de defectos en diamante, ampliando la aplicabilidad de los hallazgos.
• Eficiencia: El estudio demuestra que el uso de múltiples emisores (lo que introduce eventos de múltiples fotones) no degrada la calidad de la aleatoriedad por debajo de los umbrales utilizables, permitiendo una compensación entre velocidad y pureza que favorece las aplicaciones de alta velocidad.

En conclusión, este trabajo establece el esquema de tiempo de llegada utilizando centros NV como una alternativa superior a los esquemas de trayectorias de ramificación para QRNG de estado sólido, ofreciendo un equilibrio de alta velocidad, simplicidad y aleatoriedad de alta calidad adecuado para aplicaciones criptográficas de próxima generación.