فیزیکدانان طرح مواد جدیدی را برای رمزگذاری ریزتراشه نسل بعدی تعریف می کنند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

پشت هر تراکنش آنلاین امن یا پیام رمزگذاری شده، رشته ای از اعداد کاملا غیرقابل پیش بینی نهفته است. اکنون تیمی از فیزیکدانان راهی تئوری برای دور زدن یک مانع طولانی مدت ارائه کرده اند که دری را به روی تراشه های امنیتی نسل بعدی باز می کند که از داده های روزمره بدون کاهش عملکرد محافظت می کنند.

در مطالعه ای که در Physical Review Letters منتشر شده است، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی جون-جی ژانگ از دانشگاه رایس و بوریس یاکوبسون دسته جدیدی از مواد را توصیف می کنند. این تحقیق با همکاری Shuai Dong، رئیس دانشکده فیزیک دانشگاه جنوب شرقی چین انجام شد.

این مواد که اوفروئیک نامیده می‌شوند، می‌توانند هزاران بار به مولد اعداد تصادفی واقعی فیزیکی (TRNG) سرعت دهند و در عین حال سیگنال‌ها را شفاف نگه دارند.

اگر اعداد تصادفی که رمزگذاری را بسیار کند یا با سیگنال‌های ضعیف تولید می‌کنند، سیستم‌های امنیتی می‌توانند در استفاده‌های سنگین عقب بمانند یا در برابر هک آسیب‌پذیر شوند. در داخل این دستگاه‌های امنیتی، نوسانات حرارتی غیرقابل پیش‌بینی در سوئیچ‌های مغناطیسی کوچک، اعداد حیاتی را ایجاد می‌کنند. با این حال، دستگاه‌های استاندارد این جهش‌های میکروسکوپی را بسیار آهسته آغاز می‌کنند. مهندسان می توانند با کوچک کردن اجزای فیزیکی یا اعمال نیروهای مغناطیسی خارجی، سرعت آنها را افزایش دهند، اما انجام این کار سیگنال را کاهش می دهد و منجر به خطاهای خواندن داده می شود.

یاکوبسون گفت که کار تیم از کاوش در رفتارهای فیزیکی بنیادی رشد کرده است.

یاکوبسون، استاد مهندسی کارل اف. هاسلمن، گفت: «علاقه گسترده‌تر ما به TRNG، یا چگونگی استخراج آنتروپی از رفتار فیزیکی و تبدیل آن به بیت‌های تصادفی، بیشتر بر موجودیت‌های نوسان بار در ترانزیستورهای اثر میدانی متمرکز بود. "اما هنگام کاوش در چشم انداز انرژی autferroics، به ویژه سد پایینی که قطبش های مخالف را از هم جدا می کند، Jun-Jie پیشنهاد کرد که این ممکن است به TRNG سریعتر منجر شود. با گزارش اخیر ما که با گزارش قبلی ما هماهنگ بود، به همکاری بسیار مثمر ثمر تبدیل شد."

با متعادل کردن سرعت مولدهای اعداد تصادفی فیزیکی با وضوح سیگنال‌های آنها، اصل دستگاه جدید می‌تواند در تئوری، نرخ بیت بالایی را ارائه دهد و در عین حال وضوح و تصادفی سیگنال را حفظ کند. این می تواند به تراشه های امنیتی فیزیکی اجازه دهد تا با حداکثر سرعت بدون ایجاد خطاهای خواندن الکترونیکی کار کنند.

ژانگ خاطرنشان کرد که این رویکرد به تنگناهای سخت افزاری کلیدی می پردازد.

ژانگ، دانشیار پژوهشی فوق دکتری در دپارتمان علوم مواد و مهندسی نانو رایس گفت: «این تحقیق می‌تواند برای محاسبات، رمزگذاری و پردازش داده‌ها و سایر فناوری‌های اطلاعاتی مفید باشد». "هدف آن این است که مولدهای اعداد تصادفی واقعی را سریعتر و قابل اعتمادتر کند."

مواد اوفروئیک از طریق یک برهمکنش منحصر به فرد "الاکلنگ" بین خواص الکتریکی و مغناطیسی خود، این مسئله را دور می زنند.

حالات الکتریکی و مغناطیسی به جای اینکه صرفا با هم وجود داشته باشند، به طور فعال به یکدیگر فشار می آورند. سوئیچ اتفروئیک به جای وادار کردن یک چرخش مستقیم و پرانرژی از یک حالت مغناطیسی به حالت دیگر، انتقال را از طریق یک مرحله فقط الکتریکی میانی هدایت می کند. این مسیر جایگزین سد انرژی را نزدیک به دو سوم کاهش می دهد در حالی که سیگنال مغناطیسی را در قدرت کامل نگه می دارد.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و مدل‌سازی پویا که توسط این تیم انجام شده است نشان می‌دهد که کاهش این سد انرژی، نرخ سوئیچ را از زیر ۱۰۰ تلنگر در ثانیه به بیش از ۴۰۰ هزار تلنگر در ثانیه افزایش می‌دهد و در نهایت بیش از یک میلیون بیت تصادفی در هر ثانیه تولید می‌کند.

نتایج، مجموعه‌های تست معیار مؤسسه ملی استاندارد و فناوری را تأیید کردند که به عنوان استاندارد طلایی برای اندازه‌گیری تصادفی بودن عمل می‌کنند.

ژانگ گفت: «الکتریک مغناطیسی الکتریسیته الکتریسیته بدون تضعیف حالت مغناطیسی، سوئیچینگ با انرژی کم را آسان‌تر می‌کند و در نتیجه سیگنال بازخوانی را قوی نگه می‌دارد. این سیگنال‌های واضح «بله» یا «نه» را ارائه می‌کند، نه «شاید».

تیم تحقیقاتی همچنین دریافتند که اعمال یک میدان الکتریکی ثابت روند تولید را حتی بیشتر سرعت می بخشد. از آنجایی که این فیلد سوئیچینگ را بدون ارجحیت یک حالت بر حالت دیگر تسریع می‌کند، دستگاه در تعادل کامل 50/50 باقی می‌ماند و تصادفی بدون بایاس خروجی ایجاد می‌کند - از این رو "الاکلنگ برقی".

خواص الکتریکی و مغناطیسی همچنین می توانند در چهار حالت متمایز و به همان اندازه پایدار ترکیب شوند و نه فقط 0s و 1 های باینری استاندارد. این خروجی چند حالته به یک جزء کوچک اجازه می دهد تا کار چندین ترانزیستور معمولی را در محاسبات پیشرفته انجام دهد.

با اتصال دو واحد از این واحدها به مدارهای ساده، این تیم نشان داد که ریزتراشه‌های معمولی می‌توانند داده‌های چند حالته را پردازش کنند و با آزمایش چندین نتیجه به طور همزمان از محاسبات کوانتومی تقلید کنند. فراتر از تقویت رمزگذاری دیجیتال، این مواد یک مزیت ثانویه امیدوارکننده برای معماری ریزتراشه های آینده ارائه می دهند.

این یافته‌ها در حال حاضر تئوری هستند و بر اساس مدل‌های کامپیوتری یک نانومواد دو بعدی به نام سلنید ژرمانیوم تیتانیوم هستند، اما آنها طرحی را برای کاربردهای ساخت در دنیای واقعی ارائه می‌دهند.

ژانگ توضیح داد: «دستگاه‌های اوفروئیک چهار حالته می‌توانند اطلاعات بیشتری را در یک دستگاه نشان دهند. برای مثال، این چند حالته اجازه می دهد تا اعداد مختلط، ترکیبی از یک عدد واقعی و یک عدد خیالی، مستقیما در سخت افزار رمزگذاری شوند.

نقص های ساختاری در دستگاه های واقعی ممکن است سرعت سوئیچینگ در دنیای واقعی را اندکی کاهش دهد. با این حال، این مطالعه به مهندسان یک پایه نظری برای ساخت نسل بعدی رمزگذاری سخت افزاری و تراشه های محاسباتی کم مصرف می دهد.

Jun-Jie Zhang و همکاران، مولدهای اعداد تصادفی واقعی مبتنی بر Autferroics با عملکرد پیشرفته، نامه‌های بررسی فیزیکی (2026). DOI: 10.1103/8vd7-ffng. در arXiv : arxiv.org/abs/2608.13838

اطلاعات مجله: Physical Review Letters , arXiv

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →