СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ Российский патент 2019 года по МПК G07C15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к области генерации случайных чисел.

Уровень техники

Случайные числа находят важные применения во многих областях, например, в криптографии, играх на удачу, научных расчетах и/или статистических исследованиях. В этих применениях чрезвычайно важна случайность сгенерированных случайных чисел, поскольку возможность их предсказания может привести, например, к утрате защищенности связи, мошенничеству и/или ненадежным научным результатам.

В число характеристик, которые ожидаются от генераторов случайных чисел, входит возможность генерации случайных чисел с относительно высокой частотой при относительной доступности применяемых для этого устройств с точки зрения цены, габаритов и т.д.

Использовавшиеся ранее для удовлетворения таких потребностей способы, как правило, основаны на псевдослучайных алгоритмах и/или на псевдослучайных физических свойствах материалов. Хотя на первый взгляд числа, сгенерированные такими способами, могут выглядеть совершенно случайными (они даже могут успешно пройти набор статистических тестов для генераторов случайных чисел Национального института стандартов и техники США (National Institute of Standards and Technology, NIST)), такие псевдослучайные генераторы часто основаны на детерминированных принципах и по этой причине могут обладать недостатками, из-за чего, в случае обнаружения в конечном итоге такого недостатка, может стать возможным предсказание результатов.

Поэтому остается возможность предложения более совершенного устройства для генерации случайных чисел.

Раскрытие изобретения

В отличие от классической механики, в квантовой механике описываются явления, являющиеся случайными по самой своей природе. В предлагаемом настоящим изобретением способе случайное по своей природе квантовомеханическое явление может быть использовано для генерации случайных чисел.

Более конкретно, предлагается способ генерации случайных чисел, в котором используется происходящее случайным образом туннелирование зарядов (отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных дырок) через квантовый барьер с туннельным переходом. Туннелирующие заряды могут тем самым генерировать низкоуровневый случайный электрический шум, который может быть отфильтрован, усилен и подвергнут дискретизации с целью получения случайных чисел из квантового источника. Этот способ может быть осуществлен с использованием относительно простых электронных компонентов, и поэтому может быть легко реализован на общей плате.

Заряды отталкиваются барьером в соответствии с механизмом классического отражения. Однако вследствие квантового туннельного эффекта некоторые из зарядов проникают через барьер и, таким образом, успешно проходят от одного из проводников к другому. Этот квантовый туннельный эффект является случайным по своей сути и поэтому используется здесь для генерации случайных чисел. Путем точной регулировки квантового туннельного эффекта посредством разности потенциалов (например, смещения), характеристик барьера, усиления, фильтрации и т.д., сигнал случайного числа, порожденный квантовым туннельным эффектом, может быть с положительным результатом использован и сопоставлен по-настоящему случайным числам. Кроме того, применяя указанную регулировку и выбирая должным образом электронные компоненты, которые оказываются весьма простыми, можно генерировать такие случайные числа с требуемой частотой. Квантовый барьер с туннельным переходом может быть осуществлен, например, в виде электрического изолятора, помещенного между проводниками.

Заряды, которые способны преодолеть квантовый барьер с туннельным переходом и принять участие в генерации случайного электрического шума (называемого здесь случайным сигналом), могут делать это подлинно случайным образом, поскольку известно, что квантовое туннелирование является действительно случайным квантовым процессом, в котором не используются сложные, но при этом детерминированные элементы.

Кроме того, предлагается генератор случайных чисел, содержащий плату или печатную плату с установленным на ней квантовым барьером с туннельным переходом и выполненный с возможностью соединения с источником напряжения (источником зарядов), который может либо встраиваться непосредственно в плату, либо предоставляться отдельно. Поскольку в квантовом туннелировании может участвовать большое число туннелирующих зарядов, которые могут туннелировать через квантовый барьер с туннельным переходом с высокой частотой, такой генератор случайных чисел может, теоретически, допускать очень быструю генерацию и получение случайных чисел.

В соответствии с одним аспектом предлагается способ генерации по меньшей мере одного случайного числа, включающий следующие шаги: квантовое туннелирование зарядов из одного проводника в другой проводник через квантовый барьер с туннельным переходом; прием случайного сигнала, порожденного квантовым туннелированием зарядов; сопоставление случайного сигнала со случайным числом; и и генерация сигнала, указывающего случайное число.

В соответствии с еще одним аспектом предлагается генератор случайных чисел, содержащий: плату; квантовый барьер с туннельным переходом, установленный на плате между двумя проводниками и обеспечивающий возможность случайного туннелирования зарядов из одного из проводников в другой для генерации случайного сигнала; усилитель, установленный на плате, соединенный с одним из двух проводников с целью усиления случайного сигнала; дискретизирующее устройство, установленное на плате, соединенное с усилителем с целью сопоставления случайного сигнала с по меньшей мере одним случайным числом в режиме реального времени.

В соответствии с одним аспектом предлагается способ генерации по меньшей мере одного случайного числа, включающий следующие шаги: приложение между двумя проводящими слоями, разделенными между собой по меньшей мере одним слоем изолятора, разности потенциалов, создающей случайное квантовое туннелирование зарядов через по меньшей мере один изолятор, тем самым генерируя случайный сигнал; и сопоставление случайного сигнала со случайным числом.

В соответствии с еще одним аспектом предлагается генератор случайных чисел, содержащий плату; квантовый барьер с туннельным переходом, установленный на плате и содержащий по меньшей мере два проводящих слоя и по меньшей мере один слой изолятора между ними, при этом по меньшей мере один слой изолятора имеет две внешние противоположные поверхности, каждая из которых находится в соприкосновении с соответствующим одним из двух проводящих слоев, причем два проводящих слоя выполнены с возможностью соединения с первым выводом и со вторым выводом источника напряжения, причем квантовый барьер с туннельным переходом позволяет зарядам случайным образом туннелировать через барьер для генерации случайного сигнала при работе источника напряжения; усилитель, установленный на плате, соединенный с одним из двух проводящих слоев с целью усиления случайного сигнала; дискретизирующее устройство, установленное на плате и соединенное с усилителем с целью сопоставления случайного сигнала с по меньшей мере одним случайным числом в режиме реального времени.

Специалисту в данной области техники после прочтения нижеследующего раскрытия изобретения станут понятны многие другие признаки и их комбинации, относящиеся к настоящему изобретению.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых чертежах:

фиг. 1 представляет собой схему, относящуюся к генерации случайных чисел;

фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее пример классического отражения электрона от слоя изолятора и пример квантового туннелирования электрона через слой изолятора;

фиг. 3 представляет пример отображения случайных чисел в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 4 представляет собой электрическую схему, относящуюся к примеру генератора случайных чисел;

фиг. 5А-5С представляют схематические изображения квантового барьера с туннельным переходом, содержащего по меньшей мере один слой изолятора;

фиг. 6 представляет схематическое изображение примера квантового барьера с туннельным переходом;

фиг. 7 представляет схематическое изображение шагов примера изготовления квантового барьера с туннельным переходом в фотолитографическом процессе.

Осуществление изобретения

Фиг. 1 представляет собой схему, относящуюся к способу генерации случайных чисел на основе принципа случайного квантового туннелирования зарядов (электронов или дырок) через квантовый барьер с туннельным переходом. Как будет более подробно рассмотрено далее со ссылкой на фиг. 2, квантовый барьер с туннельным переходом может быть осуществлен в виде промежутка между двумя проводниками, который может либо отражать заряды посредством классического отражения, либо пропускать их посредством квантового туннелирования. Порожденный случайным туннелированием зарядов через квантовый барьер с туннельным переходом случайный сигнал принимают (регистрируют, отслеживают), и случайный сигнал компьютером или электронными компонентами может быть сопоставлен со случайным числом на основании, например, амплитуды сигнала в режиме реального времени. Указанная операция может повторяться требуемое количество раз с требуемой частотой.

Случайному квантовому туннелированию может, в качестве опции, способствовать разность потенциалов, приложенная к квантовому барьеру с туннельным переходом. Квантовый барьер с туннельным переходом может быть выбран таким образом, чтобы вызывать классическое отражение зарядов и в то же время давать зарядам возможность случайным образом туннелировать через барьер вследствие квантовых процессов. Квантовый барьер с туннельным переходом может быть осуществлен в виде одного или более наложенных слоев изолятора, что будет подробно рассмотрено далее со ссылкой на фиг. 5А, 5В, 5С, и в этом случае, например, проводники могут содержать проводящие слои, наложенные на один или более слоев изолятора. Поскольку выполняется шаг приложения разности потенциалов, то разность потенциалов может препятствовать прохождению зарядов из одного проводящего слоя в другой из-за наличия потенциального барьера, неизбежно создаваемого по меньшей мере одним слоем изолятора. Более того, слой изолятора в квантовом барьере с туннельным переходом может быть использован для реализации случайного туннелирования зарядов через квантовый барьер с туннельным переходом. Указанный способ также содержит шаг генерации случайного сигнала на основании зарядов, туннелирующих случайным образом.

При туннелировании заряженных частиц из одного проводящего слоя в другой через слой изолятора в квантовом барьере с туннельным переходом протекает ток или поток туннелирующих зарядов. Эти случайным образом туннелирующие заряды, соответственно, создают случайный сигнал, который может обрабатываться на шаге сопоставления случайного сигнала, принятому в данный момент, со случайным дискретным числом.

Как показано на фиг. 2, квантовый барьер с туннельным переходом содержит по меньшей мере один слой изолятора, действующий на попадающие на него заряды как отражатель. Соответственно, прохождение зарядов через по меньшей мере один слой изолятора обеспечивается их случайным прохождением через потенциальный барьер из-за квантового туннелирования.

Кроме того, указанный способ может содержать шаг смещения разности потенциалов с целью фиксации разности потенциалов, приложенной к двум проводящим слоям. Кроме того, компоненты случайного сигнала с частотами ниже 0,1 МГц и выше 6000 МГц могут быть путем фильтрования исключены из случайного сигнала, тем самым очищая случайный сигнал от какого-либо шума, который может быть порожден другими электрическими компонентами, соединенными с проводящими слоями. По сути, случайный сигнал может очищаться от постоянной составляющей (составляющей постоянного тока) и от верхних частот.

Поскольку случайный сигнал, созданный туннелирующими зарядами, как правило, еле измерим, то способ генерации случайных чисел может содержать шаг усиления случайного сигнала. Использование случайного сигнала может быть ограничено компонентами случайного сигнала, имеющими частоты между 0,1 МГц и 1000 МГц, что позволяет устранить потенциально нежелательные компоненты шума. Иными словами, не усиливаются, например компоненты случайного сигнала, содержащие постоянную составляющую и верхние частоты.

Должно быть понятно, что шаг сопоставления случайного сигнала со случайным дискретным числом может содержать шаг, называемый здесь дискретизацией случайного сигнала. Действительно, на шаге дискретизации возможно сопоставление мгновенного уровня (в реальном времени) случайного сигнала с конкретным дискретным числом. После того, как конкретное дискретное число сопоставлено с мгновенным уровнем случайного сигнала, можно отбросить в нем старший значащий бит, сохранив лишь младшие значащие биты, что дает эффект формирования равномерного распределения случайных дискретных чисел, полученных подобным образом. Например, если на шаге дискретизации случайный сигнал оцифровывается в 8-разрядное дискретное число, то могут быть отброшены четыре старших значащих бита и использованы четыре младших значащих бита.

Кроме того, следует отметить, что поскольку в квантовом туннелировании может участвовать большое количество туннелирующих зарядов, которые могут туннелировать через квантовый барьер с туннельным переходом с высокой частотой, шаг формирования случайного сигнала может допускать очень быстрое изменение случайного сигнала, что, в свою очередь, дает возможность получения случайных дискретных чисел с высокой частотой. Например, имеется возможность дискретизации случайного сигнала с частотой дискретизации более 400000 кбит/с, предпочтительно более 1000 Мбит/с, более предпочтительно свыше 8 Гбит/с.При этом следует принять во внимание, что для увеличения общего количества сгенерированных случайных чисел может быть параллельно соединено более одного генератора случайных чисел. Например, путем параллельного соединения двух генераторов случайных чисел, каждый из которых имеет частоту генерации 8 Гбит/с (1 Гбт/с), может быть получена суммарная частота генерации 16 Гбит/с (2 Гб/с) и т.д.

Фиг. 4 представляет электрическую схему 10, относящуюся к примеру генератора случайных чисел. Генератор случайных чисел содержит, в общем, плату (не показана), на которой установлена электрическая схема 10. Электрическая схема 10 генератора случайных чисел может содержать квантовый барьер 12 с туннельным переходом, смещающее устройство 20, усилитель 16, дискретизирующее устройство 18 и фильтр 14, устанавливаемые на плате. Плата может представлять собой, например, печатную плату, механически удерживающую компоненты и электрически соединяющую компоненты друг с другом посредством проводящих дорожек, вытравленных из медных листов, ламинированных на непроводящей подложке.

Как указано выше, квантовый барьер с туннельным переходом может быть предусмотрен в виде квантового компонента с туннельным переходом, в котором квантовый барьер с туннельным переходом выполнен в виде одного или более слоев изолятора, помещенных между проводящими слоями, выступающими в качестве проводников. Следует отметить, что проводящие слои могут быть изготовлены, например, из металлического материала или полупроводникового материала, тогда как слой изолятора может быть изготовлен из любого материала, в достаточной степени препятствующего свободному прохождению через себя электронов (или дырок) за счет классического отражения. На практике в квантовом барьере с туннельным переходом может использоваться любой материал, который может обеспечить энергетический барьер, преодолимый путем квантового туннелирования. Например, слой изолятора может быть изготовлен из нелегированного полупроводника. Соответственно, два проводящих слоя могут быть изготовлены из полупроводникового материала, а слой изолятора может быть изготовлен из изолирующего полупроводника. В данном примере изолирующий полупроводник может обладать запрещенной зоной, вынуждающей заряды (электроны или дырки) проходить через нее вследствие квантового туннелирования, при этом указанные два проводящих слоя могут быть легированными полупроводниками n-типа или р-типа. Слой изолятора имеет две внешние противоположные поверхности, каждая из которых находится в соприкосновении с соответствующим одним из двух проводящих слоев, а два проводящих слоя могут соединяться с первым выводом и вторым выводом источника напряжения. Должно быть понятно, что источник напряжения может быть как установлен на плате и на постоянной основе соединен с проводящими слоями квантового барьера с туннельным переходом, так и предусмотрен отдельно от нее.

В настоящем варианте осуществления изобретения для выполнения шага смещения может быть использовано смещающее устройство 20, усилитель 16 может быть выполнен с возможностью выполнения шага усиления случайного сигнала, дискретизирующее устройство 18 может быть выполнено с возможностью выполнения шага дискретизации случайного сигнала, а фильтр 14 может быть выполнен с возможностью выполнения шага фильтрации случайного сигнала. Фильтр может быть соединен с квантовым барьером с туннельным переходом, который, в свою очередь, может быть соединен с усилителем и далее с дискретизирующим устройством. При функциональном соединении указанных элементов между собой электрическая схема может немедленно дискретизировать случайный сигнал с целью получения случайного числа. Кроме того, смещающее устройство может устанавливать разность потенциалов, приложенную к квантовому барьеру с туннельным переходом. Соответственно, смещение смещающего устройства может быть отрегулировано так, чтобы сосредоточить в себе любой шум, который может вноситься в указанную электрическую схему, например, усилителем или дискретизирующим устройством.

На фиг. 5А-5С представлены три примера квантового барьера с туннельным переходом. Из этих примеров видно, что может использоваться один слой изолятора или более одного слоя изолятора. Более конкретно, на фиг. 5А показан слой изолятора, имеющий первую толщину d₁, а на фиг. 5В показан квантовый барьер с туннельным переходом, содержащий два слоя изолятора, имеющих, соответственно, первую толщину d₁ и вторую толщину d₂. Кроме того, в качестве примера на фиг. 5С показан квантовый барьер с туннельным переходом, содержащий три слоя изолятора, имеющих, соответственно, первую толщину d₁, вторую толщину d₂ и третью толщину d₃. Хотя приведены лишь три примера, квантовый барьер с туннельным переходом может иметь и более трех слоев изолятора. Материал изолирующих слоев может быть разным, в разных последовательно расположенных слоях могут быть использованы различные материалы. Как правило, последовательно расположенные слои могут иметь суммирующийся эффект с точки зрения уровня эффекта барьера, что дает возможность при необходимости получить нужный уровень, используя множество слоев.

Фиг. 6 представляет схематический вид сверху квантового барьера с туннельным переходом в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере проводящие слои квантового барьера с туннельным переходом вытравлены из металлического материала, например, алюминия, и ламинированы на непроводящей подложке, например, на диоксиде кремния. Квантовый барьер с туннельным переходом, показанный красной линией, содержит перекрывающуюся область площадью порядка 10 мкм² с размерами, например, 1 мкм на 10 мкм. Также в данном примере между двумя проводящими слоями содержится слой изолятора, при этом заряды могут перемещаться из верхнего проводящего слоя через нижний проводящий слой вследствие квантового туннелирования. Слой изолятора может быть изготовлен из оксида алюминия (Al₂O₃). Видно, что слой изолятора может иметь толщину, например, 1 нм и сопротивление порядка 50 Ом. Известно, что сопротивление квантового барьера с туннельным переходом может зависеть от перекрывающейся площади.

Хотя квантовый барьер с туннельным переходом может быть изготовлен различными способами, далее со ссылкой на фиг. 7 для целей пояснения рассматривается пример способа изготовления на основе фотолитографической технологии, известной под названием моста Долана (Dolan Bridge). В данном примере используется фотолитографическая система, например, SF-100 Xpress, и полимерные композиции с обозначениями LOR30B и S1813. Данный способ изготовления может содержать шаг (а) очистки подложки от посторонних примесей и шаг (b) нанесения слоя полимерной композиции LOR30B на очищенную подложку и нанесения слоя полимерной композиции S1813 на слой полимерной композиции LOS30B. Затем может выполняться шаг (с) облучения полимерной композиции S1813 ультрафиолетовым излучением везде, кроме некоторого сегмента (который может образовать мост Долана). Затем может выполняться шаг (d) химического удаления слоя полимерной композиции S1813, облученного ультрафиолетовым излучением, и химического удаления слоя полимерной композиции LOR30B, с целью оставить незатронутым сегмент слоя S1813 (называемый мостом Долана). Затем на подложку с использованием моста Долана как маски может быть осаждением нанесен первый проводящий слой, так, чтобы первый проводящий слой лежал на подложке и выступал с одной стороны моста Долана и под ним настолько далеко, насколько этот мост позволяет (е). После этого на первый проводящий слой может быть осаждением нанесен слой изолятора из оксида алюминия (f). Второй проводящий слой может быть осажден на слой изолятора, используя другую сторону моста Долана и под ним, настолько далеко, насколько этот мост позволяет, в результате чего образуется перекрывающаяся область, в которой между двумя проводящими слоями помещен слой изолятора. Наконец, мост Долана может быть удален, после чего открывается законченный квантовый компонент с туннельным переходом.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что обеспечение установки квантового устройства с туннельным переходом непосредственно на плате дает возможность реализовать устройство с низкой стоимостью, которое может производиться на специализированных предприятиях, например, на заводах по производству полупроводниковых электронных компонентов.

Специалисту в данной области техники должно быть известно, какие аппаратные компоненты могут быть использованы в данном генераторе случайных чисел. В одном варианте осуществления, например, квантовый барьер с туннельным переходом может иметь сопротивление 54 Ом. Смещающим устройством может быть тройник смещения ZFBT-6GW+, выпускаемый компанией Mini-Circuits. Дискретизирующим устройством может быть восьмибитная плата сбора данных, имеющая частоту дискретизации 3 миллиарда операций дискретизации в секунду, выпускаемая компанией Ultraview™. Как указано выше, частота дискретизации может быть ограничена с целью ограничения корреляции между последовательными уровнями случайного сигнала. Например, частота дискретизации может быть ограничена величиной 1 миллиард операций дискретизации в секунду. Было установлено, что для генератора случайных чисел достаточно усиления случайного сигнала на 52 дБ. Указанные усилители могут содержать два усилителя Mini-Circuits ZFL-1000LN+ вместе с аттенюаторами Mini-Circuits BW-S3W2+ для настройки уровня усиления случайного сигнала. В таком варианте осуществления генератор случайных чисел может формировать до 4 миллиардов битов числа в секунду (4 Гбит/с), что значительно быстрее ближайшего конкурента, генератора случайных чисел GRANG компании LETech, в котором достигается скорость 0,4 Гбит/с.

Также следует отметить, что при значении смещения 0 В (т.е. в отсутствие смещающего устройства) шум является тепловым, и заряды могут проходить через квантовый барьер с туннельным переходом вследствие квантового туннелирования. Такой тепловой шум может непосредственно использоваться в качестве источника случайного сигнала, хотя в представленном выше варианте осуществления был предпочтительно использован квантовый туннельный эффект, вызванный приложением к барьеру разности потенциалов. Когда энергия eV превосходит величину кТ, где е - электрический заряд, V - смещение, k - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура в Кельвинах, что имеет место, например, при V > 25 мВ, шум может стать дробовым шумом, пропорциональным V, т.е. чем больше V, тем больше и сформированный случайный сигнал. В этом случае вклад остальных электрических компонентов электрической схемы может быть пренебрежимо малым. Тем не менее, использование смещения V может оказаться предпочтительным. Например, квантовый барьер с туннельным переходом может разрушиться, если оно превысит порог разрушения, что может побудить использовать смещение. В описанном и проиллюстрированном примере надлежащий режим использования квантового барьера с туннельным переходом достигался при V = 0,25 В.

Кроме того, следует принять во внимание, что дискретизирующее устройство может быть предусмотрено в виде цифрового компаратора, одним входным числом которого является случайный сигнал, а другим входным числом является ноль. Когда случайный сигнал является положительным, цифровой компаратор выдает двоичную единицу, и двоичный ноль в противном случае. В такой конфигурации для предотвращения смещения нулевого значения другого входного числа могут быть использованы известные алгоритмы. Соответственно, цифровой компаратор может быть использован для получения серий последовательных случайных двоичных единиц и нулей, которая может быть использована для получения случайных чисел. Как должно быть понятно специалисту в данной области техники, с целью ограничения стоимости генератора случайных чисел усилитель и дискретизирующее устройство могут быть ограничены до частот порядка килогерцев. Кроме того, смещающее устройство может быть непосредственно встроено в усилитель. Такое смещающее устройство, реализованное в одном электронном компоненте, может смещать разность потенциалов и усиливать смещенную разность потенциалов. Также следует отметить, что смещение разности потенциалов может использоваться, пока это не мешает работе усилителя. Несмотря на использование в настоящем изобретении для преобразования случайного шума в случайные числа дискретизирующего устройства или цифрового компаратора, специалист в данной области техники может реализовать и другие возможности.

Также следует отметить, что данный генератор случайных чисел может быть установлен в устройстве, подключаемом через шину USB (Universal Serial Bus), что дает возможность создания портативного устройства, достигающего скоростей до 480 Мб/с при использовании USB 2.0 и более высоких значений при использовании USB 3.0. Как вариант, данный генератор случайных чисел может быть установлен в устройстве PCI (Peripheral Component Interconnect), и достигать скоростей до 1-17 Гб/с. Кроме того, данный генератор случайных чисел может быть реализован непосредственно на материнской плате, выпускаемой производителем оборудования (OEM, Original Equipment Manufacturer).

Повышение разности потенциалов может увеличить сигнал. Как вариант, подогрев перехода может увеличить квантовый шум и, вследствие этого, сигнал.

Как должно быть понятно, описанные и проиллюстрированные выше примеры следует рассматривать лишь в качестве примера. Объем охраны изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Использование: для генерации случайных чисел. Сущность изобретения заключается в том, что способ генерации по меньшей мере одного случайного числа включает следующие шаги: квантовое туннелирование зарядов из одного проводника в другой проводник через квантовый барьер с туннельным переходом; прием случайного сигнала, порожденного квантовым туннелированием зарядов; сопоставление случайного сигнала со случайным числом и генерацию сигнала, указывающего случайное число. Технический результат: обеспечение возможности генерации случайных чисел. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ генерации по меньшей мере одного случайного числа, включающий следующие шаги:

квантовое туннелирование зарядов из одного проводника в другой проводник через квантовый барьер с туннельным переходом;

прием случайного сигнала, порожденного квантовым туннелированием зарядов;

сопоставление случайного сигнала со случайным числом и

генерация сигнала, указывающего случайное число.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает обеспечение квантового туннелирования зарядов путем приложения разности потенциалов между двумя проводниками, причем в ходе такого приложения разности потенциалов указанный квантовый барьер с туннельным переходом вызывает классическое отражение зарядов, направляемых на него разностью потенциалов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает усиление случайного сигнала до указанного сопоставления.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанное усиление применяют исключительно к компонентам случайного сигнала в пределах полосы частот от 0,1 до 1000 МГц.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанное сопоставление дополнительно включает дискретизацию случайного сигнала.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что указанная дискретизация дополнительно включает определение случайного числа на основании одного или более младших значащих битов из множества битов дискретизированного случайного сигнала.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что указанную дискретизацию осуществляют с частотой, превышающей 1 миллиард операций дискретизации в секунду.

8. Генератор случайных чисел, содержащий:

плату;

квантовый барьер с туннельным переходом, установленный на плате между двумя проводниками и обеспечивающий возможность случайного туннелирования зарядов из одного из проводников в другой для генерации случайного сигнала;

усилитель, установленный на плате, соединенный с одним из двух проводников с целью усиления случайного сигнала;

дискретизирующее устройство, установленное на плате, соединенное с усилителем с целью сопоставления случайного сигнала с по меньшей мере одним случайным числом в режиме реального времени.

9. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что квантовый барьер с туннельным переходом содержит по меньшей мере один слой изолятора, имеющий две внешние противоположные поверхности, каждая из которых находится в соприкосновении с соответствующим одним из двух проводников, имеющих вид проводящих слоев, между которыми помещен изолятор.

10. Генератор случайных чисел по п. 8 или 9, отличающийся тем, что дополнительно содержит источник напряжения, соединенный с двумя проводниками и выполненный с возможностью создания разности потенциалов, вызывающей квантовое туннелирование зарядов, генерирующее случайный сигнал.

11. Генератор случайных чисел по п. 10, отличающийся тем, что квантовый барьер с туннельным переходом посредством классического отражения препятствует прохождению через барьер зарядов из источника напряжения.

12. Генератор случайных чисел по п. 9, отличающийся тем, что по меньшей мере один из двух проводящих слоев выполнен из металлического материала.

13. Генератор случайных чисел по п. 9 или 12, отличающийся тем, что по меньшей мере один из двух проводящих слоев выполнен из полупроводникового материала.

14. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что плата представляет собой печатную плату, механически удерживающую квантовый туннельный барьер, проводники, усилитель и дискретизирующее устройство, имеющую проводящие дорожки, вытравленные из медных листов, ламинированных на непроводящей подложке, и электрически соединяющую компоненты друг с другом.

15. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что дискретизирующее устройство представляет собой плату сбора данных, имеющую частоту дискретизации, равную 3 миллиардам операций дискретизации в секунду.

16. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что усилитель усиливает случайный сигнал более чем на 50 дБ.

17. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что усилитель имеет полосу усиливаемых частот от 0,1 до 1000 МГц.

18. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что дополнительно содержит

смещающее устройство, установленное на плате между квантовым барьером с туннельным переходом и усилителем, предназначенное для смещения источника напряжения и установки разности потенциалов, приложенной к квантовому барьеру с туннельным переходом; и

фильтр, установленный на плате между квантовым барьером с туннельным переходом и усилителем.

19. Генератор случайных чисел по п. 8, отличающийся тем, что соединен параллельно с по меньшей мере одним другим генератором случайных чисел.

20. Способ генерации по меньшей мере одного случайного числа, включающий следующие шаги:

приложение между двумя проводящими слоями, разделенными изолятором, разности потенциалов, создающей случайный сигнал, порождаемый случайным квантовым туннелированием зарядов через изолятор;

сопоставление случайного сигнала со случайным числом и

формирование сигнала, указывающего случайное число.