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Random flip-flop: adding quantum randomness to digital circuits for improved cyber security, artificial intelligence and more

Résumé

Harnessing quantum randomness for the generation of random numbers is an important concept crucial for information security and many other computer-related applications. Quantum random number generators (QRNGs) are evolving from bulky, slow, and expensive implementations towards chip-sized devices. Since computers are deterministic devices, and as such incapable of generating randomness, the prevailing modus operandi is that a QRNG is added to a computer, realizing what is known as "probabilistic Turing machine". State-of-the-art QRNGs use different hardware ports (USB, PCIe,...) and manufacturer-specific bit-transfer protocols, which limits their use by both hardware and software developers. In this work we propose an entirely different approach to use of randomness in a general digital environment (computers included), via a new, dedicated logic circuit: the random flip-flop (RFF), which is fully inter-operable with the standard logic circuits and can form an integral part of microprocessors, ultimately as an instruction-set extension. RFFs can be regarded as the missing link that closes the full set of logic elements; we show their use in digital and analog applications. We also build an RFF on a silicon chip using CMOS process. That, in principle, allows having any number of RFFs on a particular chip (e.g. microprocessor, FPGA, ASIC, ...), enabling both a very fast and massively parallel random number generation. Applications are endless, including recent trends in artificial intelligence, biomimetic stochastic computer and graphics processors. Integrated RFF does not need hardware ports nor bit-transfer protocols and allows an easy integration of randomness into higher programming languages.

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Concepts associés (44)
Générateur de nombres aléatoires matériel
En informatique, un générateur de nombres aléatoires matériel (aussi appelé générateur de nombres aléatoires physique ; en anglais, hardware random number generator ou true random number generator) est un appareil qui génère des nombres aléatoires à partir d'un phénomène physique, plutôt qu'au moyen d'un programme informatique. De tels appareils sont souvent basés sur des phénomènes microscopiques qui génèrent de faibles signaux de bruit statistiquement aléatoires, tels que le bruit thermique ou l'effet photoélectrique.
Hasard
vignette|Les jeux de dés sont des symboles du hasard (jeux de hasard). vignette|Tyché ou Fortuna et sa corne d'abondance (fortune, hasard, en grec ancien, sort en latin) déesse allégorique gréco-romaine de la chance, des coïncidences, de la fortune, de la prospérité, de la destinée...|alt= Le hasard est le principe déclencheur d'événements non liés à une cause connue. Il peut être synonyme de l'« imprévisibilité », de l'« imprédictibilité », de fortune ou de destin.
Circuit intégré
Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique, basé sur un semi-conducteur, reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit (sur une petite plaque), rendant le circuit facile à mettre en œuvre. Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique.
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