斯格明子（Skyrmion）是二維材料中出現的微小磁性異常，可用於生成在密碼學和概率計算中有用的真正隨機數。無論是用於網絡安全、遊戲還是科學模擬，世界都需要真正的隨機數，但生成它們比人們想象的要難。布朗大學的一組物理學家近日開發出了一種新技術，利用斯格明子的特性有可能每秒產生數百萬個隨機數字。
他們的研究成果發表在《Nature Communications》期刊上，揭示了以前未曾探索過的單一斯格明子的動態。大約在 50 年前剛被發現，斯格明子引發了物理學界的興趣，因為它是通往利用粒子磁性的下一代計算設備的道路–這一領域被稱為自旋電子學（spintronics）。
布朗大學物理系主任、該研究的資深作者肖剛（Gang Xiao，音譯）說：“對斯格明子的全局動力學已經有很多研究，把它們的運動作為進行計算的基礎。但在這項工作中，我們表明斯格明子大小的純隨機波動也可以是有用的。在這種情況下，我們表明，我們可以利用這些波動來生成隨機數，可能每秒多達 1000 萬位”。
計算機產生的大多數隨機數在嚴格意義上並不是隨機的。計算機使用一種算法來生成基於初始起始位置的隨機數，即種子數。但由於用於生成數字的算法是確定的，所以這些數字並不是真正的隨機。如果有足夠的關於算法或其輸出的信息，有人就有可能在算法產生的數字中找到模式。雖然偽隨機數在許多情況下是足夠的，但像數據安全這樣的應用–使用不能被外界猜到的數字–需要真正的隨機數。
產生真正的隨機數的方法常常借鑒自然界。例如，流經電阻的電流的隨機波動可以用來產生隨機數。其他技術則是利用量子力學中固有的隨機性–粒子在最微小尺度上的行為。
斯格明子直徑通常約為 1 微米（百萬分之一米）或更小，其行為有點像一種粒子，從一邊到另一邊在材料上飛馳。一旦它們形成，它們就很難被擺脫。由於它們如此堅固，研究人員對利用它們的運動來進行計算和存儲數據感興趣。
DOI: 10.1038/s41467-022-28334-4