斯格明子（Skyrmion）是二维材料中出现的微小磁性异常，可用于生成在密码学和概率计算中有用的真正随机数。无论是用于网络安全、游戏还是科学模拟，世界都需要真正的随机数，但生成它们比人们想象的要难。布朗大学的一组物理学家近日开发出了一种新技术，利用斯格明子的特性有可能每秒产生数百万个随机数字。


他们的研究成果发表在《Nature Communications》期刊上，揭示了以前未曾探索过的单一斯格明子的动态。大约在 50 年前刚被发现，斯格明子引发了物理学界的兴趣，因为它是通往利用粒子磁性的下一代计算设备的道路--这一领域被称为自旋电子学（spintronics）。


布朗大学物理系主任、该研究的资深作者肖刚（Gang Xiao，音译）说：“对斯格明子的全局动力学已经有很多研究，把它们的运动作为进行计算的基础。但在这项工作中，我们表明斯格明子大小的纯随机波动也可以是有用的。在这种情况下，我们表明，我们可以利用这些波动来生成随机数，可能每秒多达 1000 万位”。


计算机产生的大多数随机数在严格意义上并不是随机的。计算机使用一种算法来生成基于初始起始位置的随机数，即种子数。但由于用于生成数字的算法是确定的，所以这些数字并不是真正的随机。如果有足够的关于算法或其输出的信息，有人就有可能在算法产生的数字中找到模式。虽然伪随机数在许多情况下是足够的，但像数据安全这样的应用--使用不能被外界猜到的数字--需要真正的随机数。


产生真正的随机数的方法常常借鉴自然界。例如，流经电阻的电流的随机波动可以用来产生随机数。其他技术则是利用量子力学中固有的随机性--粒子在最微小尺度上的行为。


斯格明子直径通常约为 1 微米（百万分之一米）或更小，其行为有点像一种粒子，从一边到另一边在材料上飞驰。一旦它们形成，它们就很难被摆脱。由于它们如此坚固，研究人员对利用它们的运动来进行计算和存储数据感兴趣。


DOI: 10.1038/s41467-022-28334-4