Una nueva investigación ha utilizado las propiedades magnéticas de una partícula hipotética para generar eficientemente 10 millones de números verdaderamente aleatorios por segundo, útiles en criptografía y computación probabilística.
Ya sea para uso en seguridad cibernética, juegos de azar o simulación científica, el mundo necesita números aleatorios verdaderos, pero generarlos es más difícil de lo que uno podría pensar.
Sin embargo, un grupo de físicos de la Universidad de Brown ha desarrollado una técnica que potencialmente puede generar hasta 10 millones de dígitos aleatorios por segundo aprovechando el comportamiento de los skyrmions, pequeñas anomalías magnéticas que surgen en ciertos materiales bidimensionales.
El skyrmion es una partícula hipotética propuesta por Tony Skyrme como una superposición cuántica de bariones y estados resonantes hadrónicos para explicar algunas propiedades de la materia nuclear.
La nueva investigación, publicada en Nature Communications, revela dinámicas previamente inexploradas de skyrmions individuales, dicen los investigadores.
Espintrónica
Descubiertos hace aproximadamente media década, los skyrmions han despertado el interés en la física como un camino hacia los dispositivos informáticos de próxima generación que aprovechan las propiedades magnéticas de las partículas, un campo conocido como espintrónica.
Aunque ha habido mucha investigación sobre la dinámica global de los skyrmions, utilizando sus movimientos como base para realizar cálculos, esta investigación demuestra que se pueden usar esas fluctuaciones para generar números aleatorios, potencialmente hasta 10 millones de dígitos por segundo.
La mayoría de los números aleatorios producidos por ordenadores no son aleatorios en el sentido más estricto: usan un algoritmo para generar números aleatorios basados en un lugar de partida inicial, un número semilla.
Pero, debido a que el algoritmo utilizado para generar el número es determinista, los números no son verdaderamente aleatorios. Con suficiente información sobre el algoritmo o su salida, podría ser posible que alguien encuentre patrones en los números que produce el algoritmo.
La importancia de lo aleatorio
Los números aleatorios son un elemento clave en múltiples procesos de la vida digital. Estos se utilizan no sólo en aplicaciones con gran componente de aleatoriedad como puede ser el juego online, sino que también tienen múltiples aplicaciones en el mundo de la ciberseguridad.
En algunos sistemas criptográficos la seguridad depende de algo únicamente conocido por el personal autorizado pero impredecible para los atacantes, tal y como pasa con los sistemas de token electrónico.
En estos sistemas se añade un segundo factor de seguridad siendo necesario no sólo el “algo que sé”, la contraseña, sino también un “algo que tengo”, un número. Para asegurar la robustez del sistema, este número tiene un tiempo de vida muy corto, en ocasiones de menos 60 segundos, y normalmente se genera a partir del reloj del token y una “semilla” aleatoria que viene cargada en el token.
(INCIBE)
Verdadera aleatoriedad
Si bien los números pseudoaleatorios son suficientes en muchos entornos, las aplicaciones como la seguridad de datos, que utiliza números que no pueden ser adivinados por un tercero, requieren números aleatorios verdaderos.
Los métodos para producir números aleatorios verdaderos a menudo se basan en el mundo natural. Las fluctuaciones aleatorias en la corriente eléctrica que fluye a través de una resistencia, por ejemplo, pueden usarse para generar números aleatorios. Otras técnicas aprovechan la aleatoriedad inherente a la mecánica cuántica: el comportamiento de las partículas en la escala más pequeña.
El nuevo estudio agrega skyrmions a la lista de verdaderos generadores de números aleatorios.
Los skyrmions surgen del "giro" de los electrones en materiales ultrafinos. Se puede pensar en el espín como el diminuto momento magnético de cada electrón, que apunta hacia arriba, hacia abajo o hacia algún punto intermedio.
Torbellino magnético
Algunos materiales bidimensionales, en sus estados de energía más bajos, tienen una propiedad llamada anisotropía magnética perpendicular, lo que significa que todos los espines de los electrones apuntan en una dirección perpendicular.
Cuando estos materiales se excitan con electricidad o un campo magnético, algunos de los espines de los electrones se invierten a medida que aumenta la energía del sistema.
Cuando eso sucede, los espines de los electrones circundantes se perturban hasta cierto punto, formando un torbellino magnético que rodea al electrón invertido: un skyrmion.
Los skyrmions, que generalmente tienen un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro (una millonésima parte de un metro) o menos, se comportan un poco como una especie de partícula, que se desplaza a través del material de un lado a otro.
Partícula robusta
Y una vez que se forman, es muy difícil deshacerse de ellos. Debido a que son tan robustos, los investigadores están interesados en utilizar su movimiento para realizar cálculos y almacenar datos.
Este nuevo estudio muestra que, además del movimiento global de skyrmions a través de un material, el comportamiento local de skyrmions individuales también puede ser útil para generar números aleatorios.
Para el estudio, dirigido por Kang Wang, los investigadores fabricaron películas delgadas magnéticas utilizando una técnica que produjo defectos sutiles en la red atómica del material.
Cuando se forman skyrmions en el material, estos defectos, que los investigadores llaman centros de fijación, mantienen los skyrmions firmemente en su lugar, en lugar de permitirles moverse como lo harían normalmente.
Midiendo saltos
Los investigadores descubrieron que cuando un skyrmion se mantiene en su lugar, fluctúa aleatoriamente en tamaño. Con una sección del skyrmion sujeta firmemente a un centro de fijación, el resto del skyrmion salta de un lado a otro, envolviendo dos centros de fijación cercanos, uno más cerca y otro más alejado.
Los investigadores señalan que es posible medir el salto de cada skyrmion de un lado a otro, entre un diámetro grande y un diámetro pequeño, que ocurre al azar, y usarla para generar números aleatorios.
El cambio en el tamaño del skyrmion se mide a través de lo que se conoce como efecto Hall anómalo, que es un voltaje que se propaga a través del material.
Este voltaje es sensible a la componente perpendicular de los espines de los electrones. Cuando cambia el tamaño del skyrmion, el voltaje cambia hasta un punto que se puede medir fácilmente. Esos cambios de voltaje aleatorios se pueden usar para producir una cadena de dígitos aleatorios.
Referencia
Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions. Kang Wang et al. Nature Communications volume 13, Article number: 722 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-28334-4
