Quantum random number generation using spatial quantum noise of light
यह शोध पत्र एक सुदृढ़ क्वांटम रैंडम नंबर जनरेटर प्रस्तुत करता है जो 5.92 Gbps की तात्कालिक बिट जनरेशन दर प्राप्त करने के लिए एक हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉन-मल्टीप्लाइंग CCD द्वारा कैप्चर किए गए कोहेरेंट लाइट के स्थानिक क्वांटम शोर (spatial quantum noise) का लाभ उठाता है, जिसमें निरंतर आउटपुट इलेक्ट्रॉनिक रीडआउट बैंडविड्थ द्वारा 7.5 Mbps तक सीमित है, जबकि यह यादृच्छिकता (randomness) के लिए कठोर सांख्यिकीय परीक्षणों को सफलतापूर्वक पास करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक गुप्त कोड के लिए, जैसे कि किसी डिजिटल तिजोरी के संयोजन के लिए, एक वास्तव में यादृच्छिक (random) संख्या चुनने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप कंप्यूटर से ऐसा करने के लिए कहते हैं, तो वह वास्तव में केवल एक छिपी हुई रेसिपी का पालन कर रहा है; यह एक "स्यूडो-रैंडम" (छद्म-यादृच्छिक) जनरेटर है जो यादृच्छिक दिखता है लेकिन इसे तब क्रैक किया जा सकता है जब कोई उस रेसिपी को समझ ले। यदि आप किसी सामान्य मशीन से गर्मी या स्थैतिक बिजली (static electricity) को मापने के लिए कहते हैं, तो यह बेहतर है, लेकिन यह अभी भी शास्त्रीय भौतिकी के पूर्वानुमानित नियमों द्वारा शासित है। लेकिन क्या होगा यदि आप ब्रह्मांड के अपने "ग्लिच" (खराबी) का उपयोग कर सकें? क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, एक मौलिक नियम है: वास्तविकता बहुत सूक्ष्म स्तरों पर धुंधली है। यहाँ तक कि प्रकाश की एक पूरी तरह से चिकनी किरण भी वास्तव में चिकनी नहीं होती है; यह ऊर्जा के छोटे पैकेटों से बनी होती है जो एक अस्थिर और अप्रत्याशित लय के साथ आते हैं। इसे "क्वांटम नॉइज़" या "शॉट नॉइज़" कहा जाता है। यह ब्रह्मांड का तरीका है हर बार पासा फेंकने का, जब एक फोटॉन (प्रकाश का कण) का पता लगाया जाता है। क्योंकि यह अस्थिरता वास्तविकता के ताने-बाने में ही बनी हुई है, इसलिए इसका पूर्वानुमान नहीं लगाया जा सकता और न ही इसे बनाया जा सकता है। यह इसे हमारे बैंक खातों, निजी संदेशों और राष्ट्रीय रहस्यों को हैकर्स से सुरक्षित रखने के लिए परम स्वर्ण मानक बनाता है।
अब, भारतीय अंतरिक्ष विज्ञान और प्रौद्योगिकी संस्थान के शोधकर्ताओं को देखिए, जिन्होंने इस ब्रह्मांडीय अस्थिरता को पकड़ने और इसे यादृच्छिक संख्याओं की एक सुपर-फास्ट स्ट्रीम में बदलने के लिए एक चतुर मशीन बनाई है। एक समय में एक अत्यंत छोटे फोटॉन को पकड़ने की कोशिश करने के बजाय (जो धीमा और कठिन है), उन्होंने एक ही बार में पूरी तस्वीर देखने का निर्णय लिया। उन्होंने एक लेजर बीम ली, उसे दो भागों में विभाजित किया, और उसे EMCCD नामक एक विशेष, उच्च-गति वाले कैमरे पर डाला। इस कैमरे को एक ऐसे उपकरण के रूप में न सोचें जो केवल एक फोटो लेता है, बल्कि लाखों छोटी बाल्टियों के एक विशाल ग्रिड के रूप में सोचें, जिनमें से प्रत्येक प्रकाश की एक बौछार को पकड़ने के लिए प्रतीक्षा कर रही है। जब लेजर कैमरे से टकराता है, तो "क्वांटम जिटर" (अस्थिरता) प्रकाश को इन बाल्टियों में असमान रूप से बिखेर देता है। कुछ बाल्टियों में थोड़ा अधिक मिलता है, कुछ में थोड़ा कम, जो पूरी तरह से संयोगवश होता है।
टीम की बड़ी चाल इस बिखरते हुए प्रकाश के दो स्नैपशॉट तेजी से क्रमवार लेना और पहले चित्र में से दूसरे चित्र को घटाना था। चूंकि लेजर बीम स्थिर है, इसलिए "औसत" बौछार रद्द हो जाती है, जिससे पीछे केवल शुद्ध, अराजक क्वांटम शोर बच जाता है—रेडियो पर आने वाले स्टैटिक (शोर) के डिजिटल संस्करण जैसा जिसे कोई ट्यून नहीं कर सकता। फिर उन्होंने इस शोर वाली स्टैटिक को 0 और 1 की एक स्ट्रीम में बदल दिया। परिणाम प्रभावशाली थे: एक सेकंड के भीतर, उनकी प्रणाली 5.92 Gbps (गीगाबिट प्रति सेकंड) की गति से यादृच्छिक संख्याएं उत्पन्न कर सकती थी। यह पलक झपकते ही यादृच्छिक कोडओं के साथ किताबों का पुस्तकालय भरने जैसा है। हालाँकि, कैमरे की आंतरिक वायरिंग एक बाधा है; शोर को कम रखने के लिए यह डेटा को 7.5 Mbps (मेगाबिट प्रति सेकंड) की स्थिर गति से ही पढ़ सकता है। इस "धीमी" गति पर भी, उनके द्वारा उत्पादित संख्याएं सुरक्षा विशेषज्ञों द्वारा उपयोग किए जाने वाले हर कठोर सांख्यिकीय परीक्षण (जैसे NIST और Diehard परीक्षण) में पास हुई, जो यह सिद्ध करता है कि संख्याएं वास्तव में अप्रत्याशित हैं और उनमें कोई छिपे हुए पैटर्न नहीं हैं। पूरे कैमरा सेंसर पर प्रकाश की स्थानिक "धुंधलेपन" का उपयोग करके, उन्होंने यादृच्छिक संख्याओं को प्राप्त करने का एक मजबूत, उच्च-गति वाला तरीका बनाया, जो सुरक्षित संचार के भविष्य के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है।
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