Магнитная криптография аномалий двумерного мира.

Источник – brown.edu.

Люди на протяжении всей своей истории включали такую силу как случай в представления об окружающей действительности. Сдобренный природным инстинктом к нахождению закономерностей, прогнозированию будущего и его планированию, на заре человечества этот навык учитывать его величество случай выливался в пантеоны богов и прочих существ, а позже стал находить отражение в увеселениях и азартных играх. И мы (не все, но всё же) так же, как и наши предки играем в кости, читаем гороскопы, могли бы любопытства ради заглянуть в «шар судьбы» и даже – о, боги! – иной раз подбрасываем монетку при принятии решений. Случай всегда с нами. Он может быть счастливым или несчастным, интересным или тривиальным, но… также он может быть закономерным. И в этом главный парадокс.

Этой проблематики как явления мы коснулись не просто так: в век криптографического обеспечения информационной безопасности истинная случайность кодирующих чисел становится и священным граалем, и камнем преткновения, поскольку все мы знаем: «случайности – не случайны». «Всё имеет первопричину», – говорил Фрейд; а Кафка характеризовал случайность как «отражение границ нашего познания».

То есть наши научные и философско-гуманистические воззрения на эту дилемму означают, что в техническом плане создать устройство, выдающее действительно случайный набор данных – задача явно не из простых. А нам ведь очень нужно, потому что, если уж случайность есть итог каких-либо причин и множества переменных, то теоретически, сопоставляя «частные случаи закономерности» – как сказано в одном хорошем фильме, – можно взломать все наши кодировки. И о какой кибербезопасности или научном моделировании может тогда идти речь?

Да, миру нужны настоящие случайные числа, но генерировать их сложнее, чем можно было представить. Однако группа физиков из Университета Брауна разработала метод, который потенциально может генерировать миллионы случайных цифр в секунду, используя поведение скирмионов — крошечных магнитных аномалий, возникающих в некоторых двумерных материалах.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает неизведанную ранее динамику одиночных скирмионов. Обнаруженные около полувека назад, эти явления вызвали интерес в физике как путь к компьютерам следующего поколения, которые могли бы использовать преимущества спинтроники – области магнитных свойств частиц.

«Было проведено много исследований глобальной динамики скирмионов с использованием их движений в качестве основы для выполнения вычислений», – поясняет Ган Сяо, старший автор исследования,заведующий кафедрой физики в университете Брауна. – Но в этой работе мы показываем, что чисто случайные колебания размера скирмионов также могут быть полезны. В этом случае мы показываем, что можем использовать эти колебания для генерации случайных чисел, потенциально до 10 миллионов цифр в секунду».

Большинство случайных чисел, выдаваемых компьютерами, не являются случайными в самом строгом смысле. Компьютеры используют алгоритм для генерации случайных чисел на основе начального положения, начального числа. Но поскольку алгоритм, используемый для генерации числа, вполне детерминируем (то есть он представляет собой определяемую на практике закономерность действий – такую, которую можно расшифровать), то и числа, им составленные, увы, не являются по-настоящему случайными. Таким образом, имея достаточно информации об алгоритме или его выходных данных, кто-то может найти закономерности в числах, которые выдаёт алгоритм. Хотя во многих случаях достаточно псевдослучайных чисел, но для защиты данных и прочих важных приложений, использующих числа, которые не могут угадать посторонние, требуются настоящие случайные числа.

Но методы получения истинных случайных чисел всё-таки существуют, и довольно часто они опираются на физические законы. Например, для их генерации используются случайные колебания электрического тока, протекающего через резистор, или непредсказуемое поведение частиц в мельчайших масштабах квантовой механики. Это же исследование позволяет добавить в список настоящих генераторов случайных чисел ещё и скирмионы.

Скирмионы как физические явления возникают из-за «раскрутки» электронов в сверхтонких материалах. Это тот же спин – крошечный магнитный момент каждого электрона, который направлен вверх, вниз или где-то посередине, – но изменивший направление. Дело в том, что некоторые двумерные материалы в своих самых низких энергетических состояниях обладают свойством, называемым перпендикулярной магнитной анизотропией. Это означает, что все спины электронов ориентированы в направлении, перпендикулярном плоскости материала, представляющего собой тончайшую плёнку. Когда эти материалы возбуждаются электричеством или магнитным полем, некоторые спины электронов переворачиваются по мере увеличения энергии системы. Когда это происходит, спины окружающих электронов в некоторой степени возмущаются, образуя магнитный водоворот, окружающий перевёрнутый электрон – тот самый скирмион.

Скирмионы, которые обычно имеют диаметр около 1 микрометра (миллионная доля метра) или меньше, ведут себя как некая частица, проносящаяся по материалу из стороны в сторону. И, представьте себе, от них настолько трудно избавиться после того, как они образовались, что эта их живучесть побудила исследователей опробовать их в выполнении вычислений и обеспечения конфиденциальности данных.

Но это ещё не всё. В дополнение к глобальному движению скирмионов по материалу также может быть полезным локальное поведение отдельных скирмионов. Следующее исследование, которым руководил постдокторант Брауна Кан Ван, потребовало от учёных необычного подхода: понадобилось изготовить тонкие магнитные плёнки с тончайшими дефектами в атомной решётке материала. Благодаря этой технике, когда в материале образуются скирмионы, дефекты, названные исследователями центрами закрепления, прочно удерживают скирмионы на месте, а не позволяют им двигаться, как обычно.

Однако это совсем не означает, что они становятся неподвижны. На самом деле вследствие проведённых экспериментов обнаружено, что дефекты атомной решётки заставляют удерживаемые около себя скирмионы колебаться в размерах. При чём – непостижимым, тем самым искомым случайным образом. Когда одна часть скирмиона плотно прижата к одному центру закрепления, остальная часть скирмиона прыгает взад и вперёд, обвивая два соседних центра закрепления, один ближе, а другой дальше.

«Каждый скирмион прыгает туда-сюда между большим и маленьким диаметром. Мы можем измерить это колебание, которое происходит случайно, и использовать его для генерации случайных чисел» – поясняет Ван.

Изменение размера скирмиона измеряется с помощью так называемого аномального эффекта Холла, который представляет собой напряжение, распространяющееся по материалу. Это напряжение чувствительно к перпендикулярной составляющей электронных спинов. Когда размер скирмиона изменяется, напряжение меняется до степени, которую легко измерить. Эти случайные изменения напряжения можно использовать для создания строки случайных цифр.

Исследователи подсчитали, что, оптимизировав расстояние между дефектами в своём устройстве, они могут производить до 10 миллионов случайных цифр в секунду, обеспечивая новый и высокоэффективный метод получения истинных случайных чисел.

«Это даёт нам новый способ генерации настоящих случайных чисел, который может быть полезен для многих приложений», – говорит Сяо. – Эта работа также даёт нам новый способ использования силы скирмионов, рассматривая их локальную динамику, а также их глобальные движения».

По материалам АРМК.