北京
自铁性纳米材料可为标准微芯片带来类量子计算。
研究人员为下一代微芯片加密定义了一种新的材料蓝图。这个物理学家团队如今已在理论上消除了一个长期存在的障碍，为下一代安全芯片打开了大门；这些芯片能保护日常数据，又不会拖慢性能。
这项新研究展示了一类新材料。这类材料被称为自铁性（autferroic）材料，可将物理真随机数发生器（TRNG）加速数千倍，同时让信号清晰度保持满格。
场效应晶体管中的电荷涨落实体
“我们对TRNG的更广泛兴趣，即如何从物理行为中提取熵并将其转化为随机比特，主要集中在场效应晶体管中的电荷涨落实体上，”莱斯大学的张俊杰说。
“但在探索自铁性材料的能量景观时，尤其是分隔相反极化的较低势垒，Jun-Jie 提出这可能带来更快的TRNG。这变成了一次非常富有成果的合作，我们最近的报告与之前的报告正好衔接。”
团队还强调，如果驱动加密的随机数生成得太慢或信号太弱，安全系统在高负载下可能变慢，或容易遭到黑客攻击。在这些安全设备内部，微型磁开关中不可预测的热涨落会产生关键数字。然而，标准设备触发这些微观跳跃的速度太慢。工程师可以尝试通过缩小物理组件或施加外部磁力来加速它们。但这样做会削弱信号，并导致数据读取错误。
团队的工作源于对基本物理行为的探索
雅各布森说，团队的工作源于对基本物理行为的探索。
通过平衡物理随机数发生器的速度与其信号的清晰度，这种新器件原理在理论上可以实现高比特率的处理速度，同时具备信号清晰度和随机性。它确保物理安全芯片能以最高速度运行，而不会引入电子读取错误。
“这项研究可能对计算、数据加密与处理以及其他信息技术有用，”莱斯大学材料科学与纳米工程系博士后研究助理张说。“它旨在让真随机数发生器更快、更可靠。”
团队还揭示，自铁性材料通过其电学与磁学性质之间独特的“跷跷板”相互作用绕过了这个问题。
电学态与磁学态并非共存，而是主动相互对抗。自铁性开关不是强制从一个磁态直接高能翻转到另一个磁态，而是让转变经过一个仅涉及电学的中间步骤。这条替代路径将能量势垒降低近三分之二，同时使磁信号保持满强度。
团队进行的计算机模拟和动态建模显示，降低这一能量势垒可将速度从每秒不到100次翻转提升到每秒超过40万次翻转，最终每秒生成超过100万个随机比特。据发布稿称，这些结果通过了美国国家标准与技术研究院（NIST）的官方基准测试套件，该套件是衡量随机性的黄金标准。
“跷跷板式磁电性使低能耗切换更容易，同时不削弱磁态，从而保持读出信号强劲，”张说。“它提供清晰的‘是’或‘否’信号，而不是‘也许’。”
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