Le chiffrement des données et des protocoles de communication nécessite des nombres aléatoires. Cependant, dans la plupart des cas, ils sont en réalité pseudo-aléatoires car générés à partir d’un matériel numérique déterministe et donc prévisible. Une recherche active est en cours pour exploiter des phénomènes intrinsèquement aléatoires et non-déterministes au sein de dispositifs physiques. Parmi ceux-ci, les fluctuations thermiques constituent un moyen efficace et pratiquement gratuit pour générer un flux binaire (0 et 1) aléatoire à partir d’un système physique montrant deux minimas d'énergie. Cependant, ces implémentations matérielles souffrent souvent d'un biais intrinsèque, conduisant à des minimas et des barrières d'énergie inégaux. Ceci entraine des écarts importants par rapport à une répartition équilibrée des niveaux 0 et 1. Afin de rendre les deux niveaux équivalents, un traitement de signal est nécessaire.
Des chercheurs du laboratoire CEA-Irig/Spintec ont validé un concept pour générer un flux binaire aléatoire et intrinsèquement non-biaisé, basé sur la dynamique stochastique de la phase d’un nano-oscillateur spintronique. Lorsque l’oscillateur est synchronisé à un signal externe, avec une fréquence double par rapport à la sienne, alors sa phase se stabilise sur deux valeurs discrètes, multiples de Pi (cf.
figure a). Ainsi, un potentiel Pi-périodique pour la phase apparaît avec des minimas et des barrières intrinsèquement identiques. En présence du bruit thermique, les transitions stochastiques de la phase, comme par exemple d’un état 0 à Pi et de Pi à 2Pi, ont une probabilité exactement égale, permettant la génération d’un flux binaire non-biaisé (cf.
figure b). La validation à l’aide de la suite de tests statistiques du National Institute of Standards and Technology a confirmé l'adéquation du flux binaire pour les applications de cryptage sécurisé.
Figure : (a) Illustration de la binarisation de la phase par une synchronisation à une source externe. La phase de l’oscillateur s’adapte à celle du signal externe (Drive).
(b) Les deux valeurs de la phase binarisée sont converties en un signal électrique binaire, à l’aide d’un circuit électronique spécifiquement développé à cet effet, générant ainsi un flux binaire non-biaisé, comme le montre cet histogramme.
Par rapport à d’autres concepts, l’implémentation à base d’oscillateurs spintroniques ne nécessite donc pas de traitement additionnel du signal pour rendre le flux binaire non-biaisé. Les chercheurs explorent actuellement une configuration magnétique innovante permettant d’augmenter le taux de fluctuations dans la gamme des GHz. Ces résultats sont exploités en collaboration avec le CEA-LETI pour implémenter une machine Ising à base d’oscillateurs spintroniques.
Collaboration
- Iberian Nanotechnology Laboratory (INL)
- National Institute of Standards and Technology (NIST)
- University of Maryland
Financements
- ANR-NSF Stochnet
- Grenoble INP Bourse Présidence
- ANR MIAI@Grenoble Alpes
- Bourse de these CEA Focus Numérique Frugal