Demonstration of quantum random number generation using nitrogen vacancy centres

Cet article présente une démonstration expérimentale de génération de nombres aléatoires quantiques à haut débit utilisant des centres lacunes d'azote dans des nanodiamants fluorescents, atteignant des taux de génération allant jusqu'à 4,77 Mbits/s qui passent les tests statistiques standards sans post-traitement et offrent une solution compacte sur puce.

L'essentiel

La Grande Idée : Créer du Vrai Hasard à partir de Petits Diamants

Imaginez que vous devez choisir un numéro pour une loterie, mais que vous ne voulez pas que quelqu'un puisse le deviner. Sur un ordinateur normal, les nombres « aléatoires » sont en réalité de simples astuces ingénieuses. Ils suivent une recette secrète (une formule) qui commence par un nombre de départ. Si vous connaissez la recette et le nombre de départ, vous pouvez prédire le nombre suivant. C'est comme un magicien qui sort toujours le même lapin du même chapeau parce qu'il a répété l'astuce.

Ce document traite de la construction d'une machine qui n'utilise pas d'astuces. Au lieu de cela, elle utilise les lois fondamentales de l'univers — spécifiquement le fait que la nature est véritablement imprévisible à l'échelle la plus petite — pour générer des nombres que personne ne pourra jamais prédire.

L'Outil Magique : Des « Atomes Artificiels » dans les Diamants

Les chercheurs ont utilisé de minuscules éclats de diamant, appelés nanodiamants. À l'intérieur de ces diamants se trouvent de minuscules défauts appelés centres Azote-Lacune (NV). Imaginez ces défauts comme des « atomes artificiels » piégés à l'intérieur du diamant.

Lorsque vous éclairez ces défauts avec un laser vert, ils s'excitent puis se détendent immédiatement, éjectant une seule particule de lumière appelée photon.

• L'Analogie : Imaginez un grain de maïs à popcorn. Lorsque vous le chauffez (le laser), il éclate (émet un photon). Le moment exact où il éclate est complètement aléatoire. Vous ne pouvez pas prédire s'il éclatera à 1,00 seconde ou à 1,000001 seconde. Ce timing d'une fraction de seconde est la source du hasard.

L'Expérience : Attraper les Éclats

L'équipe a mis en place un microscope haute technologie pour éclairer ces nanodiamants avec un laser et capturer les photons au moment où ils éclataient. Ils ont testé cinq « régions » différentes sur leur échantillon :

1. Région 1 : Un seul diamant avec juste un centre NV (un seul grain de maïs).
2. Région 2 : Un diamant avec deux centres NV.
3. Région 3 : Un diamant avec quatre centres NV.
4. Région 4 : Un amas de diamants avec environ 17 centres NV.
5. Région 5 : Un gros amas avec juste sous 50 centres NV.

Comment ils ont Transformé le Temps en Nombres

Ils ont utilisé une méthode appelée le schéma « Temps d'Arrivée ».

• L'Analogie : Imaginez une horloge qui tique très vite. À chaque tic, elle se réinitialise. Les chercheurs ont divisé chaque tic en 256 tranches minuscules (comme couper une tarte en 256 parts).
• Lorsqu'un photon arrive, les chercheurs vérifient dans quelle « tranche » du tic il est tombé.
• S'il tombe dans la tranche n°1, c'est un nombre spécifique. S'il tombe dans la tranche n°256, c'est un nombre différent.
• Parce que le moment d'arrivée du photon est véritablement aléatoire, la tranche dans laquelle il tombe est également véritablement aléatoire.

Les Résultats : Vitesse et Qualité

Le document rapporte deux réalisations principales :

1. Vitesse (Le Taux de Génération)

• Avec juste un centre NV, ils ont généré des nombres aléatoires à une vitesse de 0,173 million de bits par seconde.
• Avec le gros amas (Région 5) contenant près de 50 centres NV, la vitesse a bondi à 4,77 millions de bits par seconde.
• La Comparaison : C'est une amélioration massive. Les expériences précédentes utilisant des défauts de diamant similaires étaient beaucoup plus lentes (certaines n'étaient que de quelques milliers de bits par seconde). En utilisant un amas de centres, ils ont rendu le processus environ 10 fois plus rapide que les meilleures tentatives précédentes avec cette technologie spécifique.

2. Qualité (Le Test du « Vrai Hasard »)

• Parfois, les générateurs aléatoires ont un léger « biais » (comme une pièce qui tombe sur face 51 % du temps). Pour corriger cela, les ordinateurs doivent généralement faire des mathématiques supplémentaires pour nettoyer les données.
• La Découverte : Les chercheurs ont constaté que leurs nombres étaient si parfaitement aléatoires qu'ils ont passé les tests industriels les plus stricts (appelés tests ENT et NIST) sans avoir besoin d'aucun nettoyage.
• L'Analogie : C'est comme lancer un dé et obtenir un résultat parfaitement équitable à chaque fois, de sorte que vous n'avez pas besoin de jeter les « mauvais » lancers. Les données brutes étaient déjà parfaites.

Pourquoi cela Compte (Selon le Document)

Le document conclut que cette configuration est une méthode robuste pour produire des nombres aléatoires de haute qualité.

• Compacité : Parce que les nanodiamants sont minuscules, cette technologie pourrait éventuellement être intégrée sur une petite puce d'ordinateur (sur puce).
• Sécurité : Puisque l'aléatoire provient de la nature elle-même, il est beaucoup plus difficile à pirater ou à prédire que les nombres aléatoires « faux » utilisés dans les logiciels standards.

Résumé

Les chercheurs ont prouvé qu'en éclairant de minuscules défauts dans des diamants avec un laser et en chronométrant exactement quand les particules de lumière éclatent, ils peuvent créer un flux de nombres véritablement imprévisibles. En utilisant un amas de ces défauts, ils ont rendu le processus assez rapide pour être utile dans des applications réelles, le tout sans avoir besoin d'effectuer des mathématiques complexes pour corriger les nombres par la suite.

Résumé technique

1. Énoncé du problème

Les nombres aléatoires sont essentiels pour la cryptographie et les simulations de Monte Carlo. Cependant, les générateurs de nombres pseudo-aléatoires (PRNG) classiques sont déterministes et peuvent être prédits par des algorithmes d'apprentissage automatique, ce qui pose des risques de sécurité. Bien que les générateurs de nombres aléatoires quantiques (QRNG) offrent une véritable imprévisibilité basée sur la mécanique quantique, les implémentations existantes font face à des compromis :

• Encombrement : Les premiers QRNG utilisant la désintégration radioactive étaient volumineux et lents.
• Complexité/Vitesse : Les QRNG photoniques basés sur des « chemins de branchement » (séparateurs de faisceau) sont robustes mais souffrent de taux de génération plus faibles car ils n'extrait généralement qu'un seul bit par photon.
• Post-traitement : De nombreux schémas nécessitent une extraction complexe de l'aléa ou un post-traitement pour éliminer les biais, ce qui réduit le taux de génération final.
• Limitations de la source : Les QRNG précédents utilisant des centres lacune-azote (NV) dans le diamant étaient limités au schéma de chemins de branchement, entraînant des taux de génération faibles (par exemple, < 1 Mbit/s).

Les auteurs visent à démontrer un schéma QRNG basé sur le temps d'arrivée (ToA) utilisant des centres NV dans des nanodiamants fluorescents. Cette approche promet des vitesses plus élevées, un matériel plus simple (source + détecteur uniquement) et la capacité de générer des nombres aléatoires de haute qualité sans post-traitement.

2. Méthodologie

Configuration expérimentale

Les chercheurs ont utilisé une configuration de microscopie confocale à balayage laser pour exciter les centres NV dans des nanodiamants fluorescents et collecter les photons émis.

• Excitation : Un laser vert à onde continue (CW) (532 nm) a été utilisé pour exciter les centres NV de l'état fondamental à un état excité.
• Échantillon : Des nanodiamants fluorescents (diamètre d'environ 40 nm) ont été déposés par centrifugation sur une lamelle de verre. L'échantillon contenait des régions avec des nombres variables de centres NV (de centres uniques à des amas d'environ 50).
• Détection : Les photons émis (fluorescence > 567 nm) ont été collectés, filtrés (600–800 nm) et dirigés vers une photodiode à avalanche à photon unique (SPAD).
• Chronométrage : Un convertisseur temps-numérique TimeHarp 260 PICO de PicoQuant a enregistré les temps d'arrivée des photons avec une précision de 25 ps.

Le schéma Temps d'Arrivée (ToA)

Contrairement aux schémas de chemins de branchement, le schéma ToA génère des nombres aléatoires basés sur le moment où un photon arrive par rapport à une horloge externe.

• L'axe temporel est divisé en intervalles périodiques de longueur $T$.
• Chaque intervalle est subdivisé en $M$ tranches (où $M=256$, produisant 8 bits par photon).
• L'index de la tranche dans laquelle un photon arrive constitue le nombre aléatoire.
• Contrainte clé : L'intervalle $T$ (12,8 ns) a été réglé pour être plus court que le temps mort du détecteur (24 ns) afin de garantir qu'au plus un photon est enregistré par intervalle, satisfaisant ainsi la condition pour une distribution uniforme.

Caractérisation

Avant la génération de QRNG, les auteurs ont caractérisé cinq régions d'intérêt spécifiques (R1–R5) sur l'échantillon :

1. Balayage de fluorescence : Pour localiser les nanodiamants.
2. Correlation d'ordre deux ($g^{(2)}(\tau)$) : Mesurée à l'aide d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss pour déterminer le nombre de centres NV ($N$) dans chaque région.
   • R1 : 1 centre NV.
   • R2 : 2 centres NV.
   • R3 : 4 centres NV.
   • R4 : ~17 centres NV.
   • R5 : ~49 centres NV.
3. Analyse spectrale : Utilisée pour distinguer les centres neutres ($NV^0$) et les centres chargés négativement ($NV^-$).

3. Contributions clés

1. Premier QRNG ToA avec des centres NV : Il s'agit de la première démonstration expérimentale du schéma QRNG temps d'arrivée utilisant des photons uniques émis par des centres NV dans des nanodiamants. Les QRNG précédents basés sur les centres NV reposaient sur le schéma de chemins de branchement.
2. Cadre théorique pour les émetteurs multi-photons : Les auteurs ont dérivé un modèle théorique pour l'entropie minimale d'un schéma ToA utilisant $N$ émetteurs de photons uniques indépendants avec contamination de fond. Ils ont généralisé la théorie d'un émetteur unique à plusieurs émetteurs, en tenant compte des événements d'émission de plusieurs photons au sein de la tranche temporelle.
3. Génération à haut débit sans post-traitement : L'étude démontre que, en utilisant des amas de centres NV, le taux de génération peut être considérablement augmenté tout en maintenant une qualité d'aléa élevée qui passe les tests standards de l'industrie sans aucune extraction d'aléa ou post-traitement.
4. Analyse de l'évolutivité : Le travail fournit une feuille de route pour augmenter les taux QRNG sur puce en augmentant le nombre d'émetteurs, montrant que même avec une contamination par des photons multiples, la qualité statistique reste élevée.

4. Résultats

Taux de génération

Les taux de génération de nombres aléatoires ont augmenté de manière significative avec le nombre de centres NV :

• Centre NV unique (R1) : 0,173 Mbits/s.
• ~50 centres NV (R5) : 4,77 Mbits/s.
• Comparaison : Le taux de 4,77 Mbits/s représente une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport au taux le plus élevé précédemment rapporté pour les QRNG à centres NV (0,76 Mbits/s utilisant des chemins de branchement).

Qualité statistique

• Entropie minimale : L'analyse théorique a montré que l'entropie minimale ($H_\infty$) est extrêmement proche de la valeur idéale de 1,0 bit par bit pour toutes les régions (par exemple, 0,999975 pour R1, 0,999314 pour R5).
• Tests statistiques : Des échantillons de 800 Mbit provenant des cinq régions ont passé :
  • La suite de tests ENT : Incluant les tests d'entropie, de chi-carré, de moyenne arithmétique et de corrélation sérielle.
  • La suite de tests statistiques NIST : Spécifiquement conçue pour les applications cryptographiques.
• Uniformité : La fréquence relative des 0 et des 1 était d'environ 0,5 pour toutes les régions.
• Corrélation : Les coefficients de corrélation de Pearson pour des retards allant jusqu'à 15 bits étaient proches de zéro, indiquant l'absence de corrélation sérielle.

Comparaison avec les travaux précédents

L'implémentation actuelle surpasse les QRNG à centres NV précédents en vitesse d'un facteur d'environ 60 (par rapport à 34,37 bits/s) et d'environ 6 fois (par rapport à 0,76 Mbits/s), tout en éliminant le besoin de post-traitement (contrairement à de nombreux autres schémas haute vitesse qui nécessitent un hachage).

5. Importance

• Potentiel robuste sur puce : La simplicité du schéma ToA (nécessitant uniquement une source et un détecteur) le rend hautement adapté à l'intégration dans des dispositifs quantiques compacts sur puce. Les auteurs notent que l'intégration future avec une excitation et une détection électriques sur puce pourrait conduire à des puces QRNG hautement robustes et à vitesse modérée.
• Cryptographie pratique : La capacité de générer des nombres aléatoires cryptographiquement sûrs à des taux de plusieurs Mbits/s sans post-traitement complexe est une étape significative vers une cryptographie quantique pratique et haute vitesse.
• Généralisabilité : Bien que centré sur les centres NV, les résultats expérimentaux et théoriques s'étendent à d'autres sources de photons uniques à l'état solide et à d'autres défauts dans le diamant, élargissant ainsi l'applicabilité des résultats.
• Efficacité : L'étude prouve que l'utilisation de plusieurs émetteurs (ce qui introduit des événements multi-photons) ne dégrade pas la qualité de l'aléa en dessous des seuils utilisables, permettant un compromis entre vitesse et pureté qui favorise les applications haute vitesse.

En conclusion, ce travail établit le schéma temps d'arrivée utilisant des centres NV comme une alternative supérieure aux schémas de chemins de branchement pour les QRNG à l'état solide, offrant un équilibre entre haute vitesse, simplicité et aléa de haute qualité, adapté aux applications cryptographiques de nouvelle génération.