Cho dù để sử dụng trong an ninh mạng, chơi game hay mô phỏng khoa học, thế giới cần những con số ngẫu nhiên thực sự, nhưng việc tạo ra chúng khó hơn người ta nghĩ. Nhưng một nhóm các nhà vật lý của Đại học Brown đã phát triển một kỹ thuật có khả năng tạo ra hàng triệu chữ số ngẫu nhiên mỗi giây bằng cách khai thác hành vi của skyrmions - những dị thường từ tính cực nhỏ phát sinh trong một số vật liệu hai chiều.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Communications và cho thấy động lực chưa được khám phá trước đây của các skyrmions đơn lẻ. Được phát hiện vào khoảng nửa thập kỷ trước, skyrmions đã khơi dậy sự quan tâm trong vật lý như một con đường hướng tới các thiết bị tính toán thế hệ tiếp theo tận dụng những đặc tính từ tính của các hạt - một trường được gọi là spintronics.

Đã có rất nhiều nghiên cứu về động lực học toàn cầu của các skyrmions, sử dụng chuyển động của chúng làm cơ sở để thực hiện các phép tính. Nhưng trong công trình này, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng những dao động hoàn toàn ngẫu nhiên về kích thước của skyrmions cũng có thể hữu ích để tạo ra các số ngẫu nhiên, có khả năng lên tới 10 triệu chữ số mỗi giây.

Hầu hết các số ngẫu nhiên do máy tính tạo ra không phải là ngẫu nhiên theo nghĩa chặt chẽ nhất. Máy tính sử dụng một thuật toán để tạo ra các số ngẫu nhiên dựa trên vị trí xuất phát ban đầu, một số hạt giống. Nhưng vì thuật toán được sử dụng để tạo ra số là xác định, các số không thực sự ngẫu nhiên. Với đủ thông tin về thuật toán hoặc kết quả của nó, ai đó có thể tìm thấy các mẫu trong các số mà thuật toán tạo ra. Mặc dù số giả ngẫu nhiên là đủ trong nhiều cài đặt, nhưng các ứng dụng như bảo mật dữ liệu - sử dụng các số mà bên ngoài không thể đoán được - yêu cầu các số ngẫu nhiên thực sự.

Các phương pháp tạo ra số ngẫu nhiên thực sự thường dựa trên thế giới tự nhiên. Ví dụ, dao động ngẫu nhiên của dòng điện chạy qua một điện trở, chẳng hạn, có thể được sử dụng để tạo ra các số ngẫu nhiên. Các kỹ thuật khác khai thác tính ngẫu nhiên vốn có trong cơ học lượng tử - hành vi của các hạt ở quy mô nhỏ nhất. Nghiên cứu mới này bổ sung skyrmions vào danh sách các bộ tạo số ngẫu nhiên thực sự.

Skyrmions phát sinh từ “spin” của các electron trong vật liệu siêu mỏng. Spin có thể được coi là mômen từ cực nhỏ của mỗi electron, hướng lên, xuống hoặc đâu đó ở giữa. Một số vật liệu hai chiều, ở trạng thái năng lượng thấp nhất của chúng, có đặc tính gọi là dị hướng từ trường vuông góc - nghĩa là các spin của các electron đều hướng theo phương vuông góc với màng. Khi những vật liệu này được kích thích với điện hoặc từ trường, một số electron quay khi năng lượng của hệ tăng lên. Khi điều đó xảy ra, các spin của những electron xung quanh bị xáo trộn ở một mức độ nào đó, tạo thành một xoáy từ trường bao quanh electron bị lật - một skyrmion.

Skyrmions, thường có đường kính khoảng 1 micromet (một phần triệu mét) hoặc nhỏ hơn, hoạt động giống như một loại hạt, chạy dọc vật liệu từ bên này sang bên kia. Và một khi chúng đã hình thành, chúng rất khó để loại bỏ. Bởi vì chúng rất mạnh mẽ, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng chuyển động của chúng để thực hiện các phép tính và lưu trữ dữ liệu.

Nghiên cứu mới này cho thấy ngoài chuyển động toàn cầu của các skyrmions trên một vật liệu, hành vi cục bộ của các skyrmions riêng lẻ cũng có thể hữu ích. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo màng mỏng từ tính bằng cách sử dụng một kỹ thuật tạo ra các khuyết tật nhỏ trong mạng nguyên tử của vật liệu. Khi các skyrmions hình thành trong vật liệu, các khuyết tật này, mà các nhà nghiên cứu gọi là trung tâm ghim, giữ cố định các skyrmions thay vì cho phép chúng di chuyển như bình thường.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi một skyrmion được giữ ở vị trí, chúng sẽ dao động về kích thước một cách ngẫu nhiên. Với một phần của skyrmion được giữ chặt vào một tâm ghim, phần còn lại của skyrmion nhảy qua lại, quấn quanh hai tâm ghim gần đó, một gần hơn và một xa hơn.

Mỗi skyrmion nhảy qua lại giữa đường kính lớn và đường kính nhỏ. Các nhà nghiên cứu có thể đo lường sự biến động đó, nó xảy ra một cách ngẫu nhiên và được sử dụng để tạo ra các số ngẫu nhiên.

Sự thay đổi về kích thước của skyrmion được đo thông qua cái được gọi là hiệu ứng Hall dị thường, là một hiệu điện thế truyền qua vật liệu. Điện áp này nhạy cảm với thành phần vuông góc của spin điện tử. Khi kích thước skyrmion thay đổi, điện áp sẽ thay đổi đến mức có thể dễ dàng đo được. Những thay đổi điện áp ngẫu nhiên đó có thể được sử dụng để tạo ra một chuỗi các chữ số ngẫu nhiên.

Các nhà nghiên cứu ước tính rằng bằng cách tối ưu hóa khoảng cách sai sót trong thiết bị của họ, họ có thể tạo ra tới 10 triệu chữ số ngẫu nhiên mỗi giây, cung cấp một phương pháp mới và hiệu quả cao để tạo ra các số ngẫu nhiên thực sự. Chi tiết tham khảo tại:

Kang Wang, Yiou Zhang, Vineetha Bheemarasetty, Shiyu Zhou, See-Chen Ying, Gang Xiao. Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28334-4.

(Sưu tầm)
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: https://imc.org.vn