在线随机数生成器(随机抽号的小程序)

近日，美国布朗大学物理系博士研究员王康博士和肖钢教授团队利用微小的磁性“漩涡”制备了一个真随机数发生器，可用于产生对密码学和概率计算有用的真随机数。根据介绍，王康利用单个磁Skyrmion的局域涨落行为来产生随机数，每秒可以产生多达1000万比特。

图 | 王康（来源：王康）图|王康(来源:王康)

2月7日，相关论文发表在Nature Communications上，题目是“基于单个sminger的局域动力学研究真随机数发生器与sminger的相互作用”。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）图|相关论文(来源:自然通讯)

随机数是指统计上随机产生的数。随机数的生成方法有很多种，统称为随机数生成器。真正“纯天然”的随机数只是存在于日常的物理现象中:比如抛硬币、掷骰子、核裂变。这些现象产生的数是绝对随机的，所以也叫物理随机数发生器。除此之外，人们还可以用电脑生成随机数。

随机数有多重要？在网络安全、游戏、科学仿真中不可或缺。以网络安全为例。只有使用不可预测的数字，才能安全地进行数据传输。如果生成的数字不是随机的，犯罪分子可能会从相关信息中找到数字生成的规律。此时，未经授权的组织可能在数据传输和存储过程中访问数据，从而危及网络安全。

虽然计算机可以生成随机数，但并不是严格意义上的随机数。在计算机中，让算法根据起始位置生成随机数。但是因为算法是确定的，所以这些数并不是真正的随机数。只有获取相关的算法信息，才能在生成的数字中找到规律，即获取伪随机数。但是，在与数据安全相关的应用中，需要从外部无法猜测的随机数序列，这个数才是真正的随机数。

为了生成真正的随机数，学术界通常会从自然界获得灵感。比如真随机数发生器的模拟，一般是基于固有热噪声的物理来源或者具有真随机性质的光电效应。例如，流过电阻器的电流的随机波动可以用来产生随机数。

真随机数发生器的硬件必须具有低能耗、高速度的特点。自旋电子系统是制造这种硬件的理想系统。

作为一种准粒子，磁性斯莫金具有拓扑保护，有望用于构建真随机数生成器。四明的概念最早是由英国物理学家托尼·斯凯尔姆(Tony Skyrme)在粒子物理学中提出的，随后扩展到不同的领域，包括磁性材料。磁性假蛋白的直径通常约为1微米，甚至更小，其行为类似于可以从材料的一侧移动到另一侧的粒子。

超薄材料中的磁sminger是由一簇电子自旋产生的拓扑磁结构。在这里，自旋也可以看作是每个电子的微小磁矩，它指向上下或两者之间的某处。一些二维材料在最低能量状态下具有垂直磁各向异性，这意味着电子自旋都指向垂直于薄膜的方向。

当这些材料被电流或磁场激发时，一些电子自旋会根据系统能量的增加而随机翻转。当这种情况发生时，周围电子的自旋将被扰乱，从而在翻转的电子周围形成磁涡旋，即磁sminger。

走一条没人走过的路。

磁性Sminger具有很高的可控性和稳定性，因此可以作为相关数据存储、逻辑计算和神经网络计算装置的有效载体。在这些应用的研发中，利用自旋流或微热扰动进行操作，测量磁结构的电学性质具有重要意义。

目前学术界对磁性斯默林的研究和电学表征还仅限于静态表征。例如，测量磁施密特产生的异常霍尔电压和磁施密特的拓扑霍尔信号。直到现在，很少有人研究磁斯默林对各种扰动的动态响应。

在具体探索方向上，包括磁施密特的动态响应如何影响电输运特性，以及相互作用、拓扑和各种扰动在磁施密特动态响应中的作用。王康指出，如果我们想要设计和发展磁结构的动态响应和相关的自旋电子学器件，我们必须对上述问题有一个清楚的认识。

有时候科学研究很像盖房子。如果以上步骤就像“画一张图纸”，那么接下来就是按照图纸“盖房子”，也就是搭建一个测量平台。

在这一步中，王伉将测量由磁指示器的自旋电流和热扰动产生的电噪声。噪声测量可以用来表征凝聚态物质的状态，包括自旋流和热扰动下磁结构的动态响应。基于这一目标，他和肖钢教授等人将自建的磁光克尔效应显微镜与电噪声测量系统相结合，直接拍摄到磁sminger的动态行为，测量出相应的电输运特性。

在自旋电流和热扰动下，磁性材料中缺陷引起的钉扎效应会影响磁性结构的动态响应。磁性结构中的钉扎效应可以通过多种方式产生。钉扎中心的原理是磁各向异性和Dzyaloshinskii-御名方守矢相互作用会局部改变。王康，一种在材料的原子晶格中产生精细缺陷的技术，被用来引入斯敏格的局域行为。

（来源：Nature Communications）(来源:自然通讯)

当在材料中形成假像时，钉扎中心将磁性假像固定在适当的位置，而不是像往常一样让它们移动。当一个斑点固定在某个位置时，它们的大小会随机波动。四明的一部分紧紧固定在一个钉扎中心上，其余部分围绕两个邻近的钉扎中心来回跳跃，一个更近，一个更远，从而产生随机电报噪声，然后可以用它来产生真正的随机数。

（来源：王康）(来源:王康)

基于单个磁性施密特的局域涨落行为，王康对其进行了更详细的测量和表征，包括数字产生的随机性以及外部垂直磁场和电流对单个施密特局域行为的调控。

（来源：Nature Communications）(来源:自然通讯)

但是，要真正将磁施密特应用到器件上，还需要提高电信号在“0”和“1”状态下的信噪比，以及随机数的产生率。在不同的温度和钉扎效应下，通过进一步的实验和微磁模拟研究，他们发现可以通过减小霍尔转换器的尺寸、提高温度和减小两个弱钉扎中心之间的距离来实现信噪比。在材料制备中，通过优化钉扎中心的分布，基于单个磁性施密特的真随机数发生器每秒可以产生多达1000万个随机数。

可用于逻辑计算、神经网络计算等领域。

综上所述，单个磁sminger的局部行为可以用来构造一个实随机数发生器。如前所述，在网络数据安全、游戏和科学仿真中，真随机数发生器的作用至关重要。

本研究表明，基于单磁施密特的真随机数发生器产生的字符串处于“0”和“1”状态的概率可以通过外加垂直磁场和自旋电流进行有效调控。这使得单个磁性施密特可以用作随机神经元，并可用于许多方面，如随机计算和神经网络计算，如整数分解。然而，这种优化计算很难用传统的冯·诺依曼计算机来解决。

除了单个磁性假笑，研究小组还发现相邻磁性假笑在其局部动力学行为中存在一定的逆相关性。当一个磁性施密特处于大施密特状态时，另一个磁性施密特处于小施密特状态的概率更高，这种逆相关主要是由退磁引起的。

（来源：王康）(来源:王康)

此外，这种反相关相互作用的大小也可以通过施加的垂直磁场和电流来调节。上述性质使得由许多格子组成的格子结构格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子格子 格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格格

（来源：Nature Communications）(来源:自然通讯)

例如，在两个相互作用的磁施密特子系统中，如果每个磁施密特子系统都可以单独控制，那么该施密特子系统就可以用于逻辑计算。其中，两个相互作用的磁性施密特子系统是最简单的施密特子栅结构。对于高阶施密特子网格结构，可以通过调整钉扎中心的分布来构造，然后用于神经网络计算和伊辛计算。

对于后续计划，王康表示需要进一步明确单个磁性施密特的局域行为以及多个磁性施密特耦合存在的一些物理问题，并希望进一步完善基于施密特的真随机数发生器。

它说:“我们无法预见最终设备中的所有细节。但是我们想把它放在一个小盒子里(或者小于1x1mm2的小芯片)，放在需要随机数的地方。此外，我们希望探索磁性假笑蛋白的更多局域行为以及多个假笑蛋白之间的相互作用，以制备更多的自旋电子器件。”

据报道，王康是江苏徐州人。本科和博士均毕业于南京大学物理学院，师从吴晓山教授。国内主要研究激光脉冲泵浦的强关联电子系统中电子与声子的激发、弛豫及相互作用行为。

2017年10月，王康来到布朗大学物理系课题组进行交流访问。2019年6月毕业，一直在本课题组继续博士研究。

在布朗大学物理系，他开始研究磁假笑，旨在全面了解磁假笑的物理特性，如磁假笑的全局和局部动力学行为，并探索其在创新电子器件中的应用。另据报道，王康打算在今年或明年回国，回国后将继续从事科学研究。

-结束-

参考:
1，王，k，张，y，Bheemarasetty，v .等利用局域动力学和skyrmion间相互作用的单个sky rmion真随机数发生器。国家共同体13，722 (2022年)。https://doi.org/10.1038/s41467-022-28334-4