准粒子用于每秒产生数百万个真正的随机数

艺术家对斯格明子的印象，形成电子自旋的“漩涡”肖实验室/布朗大学

随机数对计算至关重要，但我们当前的算法并不是真正随机的。布朗大学的研究人员现在已经找到了一种利用准粒子波动每秒产生数百万个真正随机数的方法。

随机数生成器是计算机软件的关键部分，但从技术上讲，它们并不完全名副其实。生成这些数字的算法仍然是确定性的，这意味着任何对它的工作原理有足够信息的人都有可能找到模式并预测产生的数字。这些伪随机数足以满足游戏等低风险用途，但对于科学模拟或网络安全，真正的随机数很重要。

近年来，科学家们转向量子物理学的奇异世界寻求真正的随机化，使用光子产生随机的 1 和 0 串，或利用钻石的量子振动。对于这项新研究，布朗的科学家们尝试了类似的方法。

Skyrmions 不完全是粒子，而是由电子排列产生的类似粒子的效应。首先要确保材料中的所有电子都具有指向同一方向的自旋。然后，当这种材料被电或磁场激发时，一些电子会以与其他电子相反的方向翻转它们的自旋。在这样做的过程中，它还会扭曲被翻转的电子周围的电子自旋，从而产生一种称为斯格明子的漩涡效应。

在这项研究中，研究人员创造了具有将斯格明子固定在适当位置的缺陷的磁性薄膜。这导致它们的大小随机波动，将自己包裹在其他相邻的“固定中心”周围，缩小和增长。不同尺寸的斯格明子通过材料产生不同的电压，可以通过测量产生随机数字串。

研究人员估计，通过优化材料中缺陷的距离，这种技术每秒可以产生多达 1000 万个随机数字。除其他外，这可能是网络安全的一个巨大突破。

“这为我们提供了一种生成真正随机数的新方法，这可能对许多应用都有用，”该研究的资深作者 Gang Xiao 说。“这项工作还为我们提供了一种利用斯格明子力量的新方法，通过观察它们的局部动态以及它们的全球运动。”

该研究发表在《自然通讯》杂志上。