Une équipe de chercheurs saoudiens et américains a démontré que des LED miniatures appelées micro-LED pouvaient générer des nombres aléatoires à une vitesse de plusieurs gigabits par seconde.
La génération de nombres aléatoires est essentielle pour de nombreuses tâches, notamment la sécurité des données (où elle sert à créer des clés de chiffrement et des mots de passe) et les simulations informatiques de systèmes complexes tels que la météo et les marchés financiers.
Il existe donc une forte demande pour le développement de générateurs de nombres aléatoires rentables, suffisamment petits pour être intégrés à l’échelle d’une puce, tout en offrant un taux de génération rapide.
La manière la plus robuste et la plus fiable de générer de véritables nombres aléatoires consiste à échantillonner et à numériser un processus physique fondé sur le caractère intrinsèquement aléatoire de la mécanique quantique. Par exemple, le bruit thermique, le chaos et la gigue des dispositifs électroniques et optoélectroniques ont tous été étudiés dans le passé.
Aujourd’hui, Heming Lin, Boon Ooi et leurs collègues de la KAUST, de la King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) et de l’université de Californie à Santa Barbara rapportent que les fluctuations d’intensité dans l’émission spontanée des micro-LED bleues GaN, dont la taille varie entre 5 et 100 μm, peuvent servir de générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG) avec un taux de génération ultra-élevé de 9,375 Gbit/s.
« Les micro-LED sont compactes, fiables et rentables », affirment Lin et Ooi. « Elles consomment moins d’énergie et nécessitent des architectures électroniques et photoniques plus simples que les autres technologies concurrentes. »
L’idée d’utiliser des LED pour générer des nombres n’est pas nouvelle. Au cours de la dernière décennie, des équipes de recherche ont exploré la mesure du nombre de photons et de leur temps d’arrivée. Cependant, l’une des principales limites de ces systèmes précédents est qu’ils offraient des taux de génération beaucoup plus lents, généralement de l’ordre de quelques centaines de mégabits par seconde.
« Les systèmes reposant sur la détection de photons uniques n’extraient généralement que deux bits par cycle d’échantillonnage, tandis que notre système atteint six bits en tirant parti des fluctuations d’intensité », expliquent Lin et Ooi.
Il est important de noter que pour qu’un QRNG soit fiable, son rendement doit être rigoureusement testé afin de garantir qu’il est suffisamment aléatoire. Les tests développés par l’Institut national américain des normes et technologies (NIST) constituent la référence en la matière. L’équipe de la KAUST a testé une variété de micro-LED de différentes tailles, allant de 5 × 5 μm² à 100 × 100 μm², et avec des courants d’alimentation allant de 0,5 à 100 mA. Toutes ont passé les tests du NIST avec succès.
Les travaux futurs de l’équipe se concentreront sur l’augmentation des taux de génération en créant des matrices 2D de micro-LED qui permettent la génération parallèle de nombres aléatoires.
Les chercheurs prévoient également de créer un système entièrement intégré, plutôt que d’utiliser des composants discrets. À l’heure actuelle, le système KAUST comprend une micro-LED GaN, dont la température est stabilisée à l’aide d’un refroidisseur thermoélectrique et dont l’émission lumineuse est transmise à un photodétecteur à avalanche. Celui-ci est à son tour connecté à un oscilloscope d’échantillonnage via un amplificateur électronique.
Lin et Ooi ajoutent : « Notre prochaine étape consiste à intégrer un photodétecteur sur puce à la micro-LED, puis à incorporer tous les composants électroniques nécessaires pour réaliser une puce QRNG entièrement intégrée. »
Lin, H., Lu, H., Wong, W.S., Almogbel, A., Alyamani, A., Ng., T.K., Bakr, O., Nakamura, S., Denbaars, S. & Ooi, B. Micro-LED based quantum random number generators. Optics Express 33,22154-22164 (2025). DOI : 10.1364/OE.559375
Source : KAUST
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