近日，美國布朗大學(xué)物理系博后研究員王康博士和肖鋼教授團隊使用微小的磁性“漩渦”制備真隨機數(shù)生成器，可用于生成對密碼學(xué)和概率計算有用的真隨機數(shù)。據(jù)介紹，王康利用單個磁性“斯格明子”（Skyrmion）的局域波動行為產(chǎn)生隨機數(shù)，每秒內(nèi)可生成多達 1000 萬位。

圖 | 王康（來源：王康）

2 月 7 日，相關(guān)論文以《基于單個斯格明子局域動力學(xué)的真隨機數(shù)生成器和斯格明子之間相互作用的研究》（Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions）為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

隨機數(shù)（random number）指的是統(tǒng)計上隨機生成的數(shù)字。生成隨機數(shù)的方法有很多，并被統(tǒng)稱為隨機數(shù)生成器。而真正“純天然”的隨機數(shù)，恰恰存在于日常物理現(xiàn)象中：比如擲錢幣、骰子、核裂變，這些現(xiàn)象中產(chǎn)生的數(shù)字可謂絕對隨機，因此也被稱為物理性隨機數(shù)生成器。除此之外，人們也可使用計算機來生成隨機數(shù)。

隨機數(shù)到底有多重要？在網(wǎng)絡(luò)安全、游戲以及科學(xué)模擬中，它都是不可或缺的。以網(wǎng)絡(luò)安全為例，只有使用不可預(yù)測的數(shù)字，才能讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡园踩M行。如果生成的數(shù)字不是隨機的，不法分子或從相關(guān)信息中找到數(shù)字生成規(guī)律，這時未經(jīng)授權(quán)的組織或可在數(shù)據(jù)傳輸和存儲期間去訪問數(shù)據(jù)，進而危害網(wǎng)絡(luò)安全。

盡管計算機能產(chǎn)生隨機數(shù)，但它們并不是嚴格意義上的隨機數(shù)。在計算機中，讓算法根據(jù)起始位置生成隨機數(shù)。但由于算法是確定的，因此這些數(shù)字并不是真正的隨機數(shù)。只需獲得相關(guān)算法信息，就能在生成的數(shù)字中找到規(guī)律、也即獲得偽隨機數(shù)。不過，在數(shù)據(jù)安全的相關(guān)應(yīng)用程序里，還需使用外部無法猜到的隨機數(shù)序列，而這種數(shù)字才是真正的隨機數(shù)。

為了產(chǎn)生真正的隨機數(shù)，學(xué)界通常會從自然世界獲得靈感。比如，真隨機數(shù)生成器的模擬一般會基于具有真正隨機性質(zhì)的固有熱噪聲、或光電效應(yīng)的物理源。例如，流經(jīng)電阻器的電流的隨機波動均可用于生成隨機數(shù)。

真正隨機數(shù)生成器的硬件，必須具備低能耗、高速度這兩大特點。而自旋電子系統(tǒng)正是制備該硬件的一個理想系統(tǒng)。

作為一種準粒子，磁性斯格明子具備拓撲保護性，有望用于構(gòu)建真隨機數(shù)生成器。斯格明子的概念最早由英國物理學(xué)家托尼·斯凱爾姆（Tony Skyrme）在粒子物理中提出，而后這一概念擴展到不同領(lǐng)域，包括磁性材料領(lǐng)域。磁性斯格明子的直徑通常約為 1 微米甚至更小，行為表現(xiàn)就像一種粒子，可從材料一側(cè)運動到另一側(cè)。

超薄材料中磁性斯格明子是一簇電子自旋合集所產(chǎn)生的拓撲磁結(jié)構(gòu)。這里的自旋也可被認為是每個電子的微小磁矩，在位置上它指向上下或介于兩者之間。一些二維材料在處于最低能量狀態(tài)下，具有垂直磁各異性的特征，這意味著電子自旋均指向垂直于薄膜的方向。

當(dāng)這些材料被電流或磁場激發(fā)時，一些電子自旋會根據(jù)系統(tǒng)能量的增加，而出現(xiàn)隨機翻轉(zhuǎn)的情況。這種情況發(fā)生時，周圍電子的自旋會受到擾動，借此形成一個圍繞翻轉(zhuǎn)電子的磁漩渦、即磁性斯格明子。

走了一條從未有人走過的路

磁性斯格明子具有高效的可控性和穩(wěn)定性，故可作為相關(guān)數(shù)據(jù)存儲、邏輯計算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算器件的有效載體。在研發(fā)這些應(yīng)用時，通過自旋流、或微觀熱擾動進行操作，以及對磁結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)的測量具有重要意義。

目前，學(xué)界對磁性斯格明子的研究和電學(xué)表征，仍限于靜態(tài)表征。比如，測量磁性斯格明子產(chǎn)生的異常霍爾電壓，以及測量磁性斯格明子拓撲霍爾的信號等。此前，在磁性斯格明子對各種擾動的動態(tài)響應(yīng)上，依然鮮少有人研究。

具體探索方向上，則包括磁性斯格明子的動態(tài)響應(yīng)到底該如何影響電學(xué)輸運特性，以及相互作用、拓撲性和各種擾動在磁性斯格明子動態(tài)響應(yīng)中所起到的作用。王康指出，要想設(shè)計和開發(fā)磁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)、以及相關(guān)自旋電子器件，就得清楚了解上述問題。

有時科研很像造房子，如果說上面的步驟好比“畫圖紙”，下面就要按圖“造房子”也就是建設(shè)測量平臺。

在這一步，王康要對磁性斯格明子在自旋流和熱擾動下所產(chǎn)生的電學(xué)噪聲進行測量。噪聲測量可用于表征凝聚態(tài)物質(zhì)狀態(tài)的特性，包括磁結(jié)構(gòu)在自旋流和熱擾動下的動態(tài)響應(yīng)?；谶@一目標(biāo)，他和肖鋼教授等人把自主搭建的磁光克爾效應(yīng)顯微鏡與電學(xué)噪聲測量系統(tǒng)相結(jié)合，以便對磁性斯格明子的動態(tài)行為做以直接照相、并對相應(yīng)電學(xué)輸運特性進行測量。

在自旋流和熱擾動下，磁材料中的缺陷所引起的釘扎效應(yīng)、會影響磁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。磁結(jié)構(gòu)中的釘扎效應(yīng)，可由多種方式產(chǎn)生。釘扎中心的產(chǎn)生原理在于，磁各向異性和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用會發(fā)生局部變化。王康使用一種在材料的原子晶格中產(chǎn)生細微缺陷的技術(shù)，來引入斯格明子的局部行為。

（來源：Nature Communications）

當(dāng)材料中形成斯格明子時，釘扎中心將磁性斯格明子固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，而不是讓它們像往常一樣移動。?dāng)一個斯格明子被固定在適當(dāng)?shù)奈恢脮r，它們的大小會隨機波動。斯格明子的一部分緊緊地固定在一個釘扎中心上，其余部分來回跳躍，圍繞著兩個附近的釘扎中心，一個更近、一個更遠，從而產(chǎn)生隨機電報噪聲，進而可用于真正隨機數(shù)的產(chǎn)生。

（來源：王康）

基于單個磁性斯格明子的局域波動行為，王康對其做了更詳細的測量與表征，具體包括數(shù)碼產(chǎn)生的隨機性、以及外加垂直磁場和電流對單個斯格明子局部行為的調(diào)控。

（來源：Nature Communications）

而要將磁性斯格明子真正應(yīng)用到器件中，還需提升電學(xué)信號在“0”和“1”態(tài)的信噪比，以及提升隨機數(shù)碼的產(chǎn)生速率。在不同溫度和不同釘扎效應(yīng)下，通過進一步實驗和微磁學(xué)模擬研究，他們發(fā)現(xiàn)，信噪比可通過減小霍爾轉(zhuǎn)換器的尺寸、升高溫度、以及減小兩個弱釘扎中心之間間距得以實現(xiàn)。在材料制備中，通過優(yōu)化釘扎中心的分布，可讓基于單個磁性斯格明子的真正隨機數(shù)碼產(chǎn)生器，每秒產(chǎn)生多達 1000 萬個隨機數(shù)字。

可用于邏輯計算、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計算等領(lǐng)域

概括來說，單個磁性斯格明子的局部行為，可用于構(gòu)建真正隨機數(shù)碼生成器。如之前所說，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全、游戲和科學(xué)模擬中，真正隨機數(shù)碼產(chǎn)生器的作用至關(guān)重要。

該研究表明，基于單個磁性斯格明子的真正隨機數(shù)碼產(chǎn)生器所產(chǎn)生的字符串，處于“0”和“1”態(tài)的概率可通過外加垂直磁場和自旋流來進行有效調(diào)控。這使得單個磁性斯格明子可被作為一個隨機元（stochastic neuron），并可用于隨機計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算等多個方面，比如用于整數(shù)分解等方面。而這類優(yōu)化計算很難通過傳統(tǒng)的馮諾依曼計算機去解決。

除了單個磁性斯格明子，該團隊還發(fā)現(xiàn)相鄰的磁性斯格明子之間，在其局部動力學(xué)行為中存在一定的反相關(guān)性。當(dāng)一個磁性斯格明子處于大斯格明子態(tài)時，另外一個磁性斯格明子處在小斯格明子態(tài)的概率更高，而這種反相關(guān)性主要由退磁場所致。

（來源：王康）

此外，這種反相關(guān)性相互作用的大小，也可通過外加的垂直磁場和電流進行調(diào)控。上述性質(zhì)使得由多個斯格明子所組成的斯格明子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具備更多的應(yīng)用潛力。

（來源：Nature Communications）

比如，在兩個相互作用的磁性斯格明子系統(tǒng)中，如能對每一個磁性斯格明子進行單獨控制，那么斯格明子系統(tǒng)就能用于邏輯計算。其中，兩個相互作用的磁性斯格明子系統(tǒng)，是最簡單的斯格明子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。而對于更高階的斯格明子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，則可通過調(diào)控釘扎中心的分布來構(gòu)建，進而用于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計算和 Ising 計算中。

對于后續(xù)計劃，王康表示他需要進一步明晰單個磁性斯格明子局部行為、以及多個磁性斯格明子耦合中存在的一些物理問題，并希望進一步完善基于斯格明子的真正隨機數(shù)生成器。

其表示：“我們無法預(yù)見最終設(shè)備中的所有細節(jié)。但我們希望將其安置于一個小盒子（或小于 1x1mm2 的小芯片）中，并將其置于我們需要隨機數(shù)的地方。此外，我們希望探索更多的磁性斯格明子的局部行為、以及多個斯格明子之間的相互作用，以用于更多自旋電子器件的制備?！?/p>

據(jù)介紹，王康是江蘇省徐州市人。本科和博士均畢業(yè)于南京大學(xué)物理學(xué)院，師從吳小山教授。在國內(nèi)時，其主要研究強關(guān)聯(lián)電子體系中電子和聲子在激光脈沖泵浦下的激發(fā)、弛豫和相互作用行為。

2017 年 10 月，王康來到布朗大學(xué)物理系該課題組進行交流訪問，2019 年 6 月畢業(yè)至現(xiàn)在，繼續(xù)在該課題組開展博后研究。

在布朗大學(xué)物理系，他開始研究磁性斯格明子，旨在充分了解磁性斯格明子的物理特性，例如磁性斯格明子的全局和局部動力學(xué)行為，并探索其在創(chuàng)新電子設(shè)備中的應(yīng)用。另據(jù)悉，王康打算今年或明年回國，回來后繼續(xù)從事科研工作。

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參考：1、Wang, K., Zhang, Y., Bheemarasetty, V. et al. Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions. Nat Commun 13, 722 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28334-4