ES2935207T3 - Dispositivo y método para generar secuencias de bits aleatorios - Google Patents

Abstract

Dispositivo (200) para generar secuencias aleatorias de bits, que comprende: al menos un sensor fotomultiplicador de silicio (201) configurado para generar una secuencia de pulsos de corriente aleatorios endógenos (Si) como resultado de una autoamplificación impulsada por ionización de impacto de generados térmicamente portadores de carga a los que puede estar sujeto el al menos un sensor fotomultiplicador de silicio (201); una unidad de procesamiento de datos (202) configurada para recibir dicha secuencia de pulsos de corriente aleatorios endógenos (Si) y para determinar una secuencia de bits aleatorios (S2) para proporcionar a un usuario final (EU), sobre la base de dicha secuencia de pulsos aleatorios endógenos pulsos de corriente (II) recibidos desde dicho al menos un sensor fotomultiplicador de silicio (201). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método para generar secuencias de bits aleatorios

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la generación aleatoria de números y, a saber, un dispositivo y un método para generar secuencias de bits aleatorios.

Antecedentes de la invención

Como es conocido, la generación aleatoria de números puede estar basada en algoritmos o en fenómenos naturales observables relacionados con un carácter impredecible. Lo primero se pone en práctica con un software o firmware, el último requiere sistemas de hardware para reunir información y métodos para tratarla y extraer series de valores numéricos estocásticos.

La generación aleatoria algorítmica se aprovecha ciertamente de la potencia de los ordenadores y de una programación óptima para conseguir tasas de datos extremadamente elevadas, bastante por encima de 10 Gb/s. Sin embargo, adolece de defectos fundamentales e irreductibles:

- los algoritmos son deterministas. Por lo tanto, la secuencia generada es seudoaleatoria. Puede tener un período que encaje con la mayoría de los requisitos pero, indefectiblemente, estarán limitados en sus propiedades aleatorias;

- la secuencia generada se basa en una serie numérica para iniciar el procedimiento. Por lo tanto, el acceso a la misma implicaría acceder a la serie completa de cifras numéricas generadas.

La generación de números aleatorios mediante hardware está basada en fenómenos naturales, ya sea descritos por fenómenos físicos clásicos o basados en las propiedades cuánticas de la naturaleza.

Una descripción clásica es determinista.

Incluso si la complejidad del sistema o su naturaleza caótica puede ser asumida para proporcionar la base para un carácter impredecible práctico de las apariciones, la esencia del fenómeno natural es tal que, una vez que son conocidas o reproducidas las condiciones iniciales de una forma controlada, la dinámica de ese sistema está bien definida.

Por otra parte, los fenómenos a nivel cuántico son intrínsecamente estocásticos y, como tales impredecibles. Por esta razón son la base ideal para la verdadera generación aleatoria de números (en lo que sigue denominada TRNG).

Los generadores aleatorios de número tienen aplicaciones en muchos campos, como: seguridad de los ordenadores y criptografía; dispositivos de internet de las cosas (IoT), en las que algunos de ellos proporcionan servicios que se basan en el carácter secreto para proteger la privacidad del usuario final y evitar la intrusión y la piratería; la estimulación a de fenómenos complejos para la ciencia o la industria (aerodinámica, termodinámica o de elaboración), económicos y de sociología, en los que las cifras aleatorias se ha mostrado que son esenciales para la fiabilidad de los resultados de simulación; la optimización en las comunicaciones entre redes saturadas; los juegos de azar y el desarrollo de plataformas en línea.

Históricamente, el primer generador de números aleatorios cuánticos estaba basado en los núcleos radioactivos inestables, con emisión descendente de partículas alfa, beta o gamma.

Las emisiones se producen de una forma impredecible y el número de descensos en un intervalo de tiempo predefinido sigue una distribución de Poisson.

En otros términos, el transcurso de tiempo entre dos acontecimientos consecutivos sigue una función de densidad de probabilidades exponencialmente descendente, con una constante de descenso dependiente del isótopo que se esté usando y de su radioactividad. Los impulsos son estadísticamente independientes y desvinculados y se puede obtener una generación de bits aleatorios mediante diversos métodos.

Las desintegraciones radioactivas son todavía hoy una forma consistente y razonablemente simple de obtener una corriente de bits aleatorios.

Sin embargo, adolecen de diversos problemas obvios en cuanto a la protección de la salud, inocuidad y seguridad que evitan su adopción a gran escala.

Además, las características de un detector de partículas, apreciablemente su tiempo muerto y deterioro por radiación, limitan la producción que puede ser obtenida y socavan la estabilidad.

Finalmente, incluso en sitios específicos, el manejo y almacenamiento de las fuentes radioactivas hace que el sistema sea económicamente no competitivo.

Hasta la fecha, la mayoría de los generadores de números aleatorios cuánticos se basan en fuentes de luz débil y detectores con una sensibilidad de fotones únicos, en una diversidad de ajustes y disposiciones.

Un ejemplo de ilustración de un generador de números aleatorios cuánticos, indicado con la referencia número 100, se expone esquemáticamente en la Figura 1.

El generador 100 comprende una fuente 101 de luz pulsada, un divisor 102 de haces, un detector D0 y un segundo detector D1.

La fuente 101 de luz pulsada emite fotones únicos a través del divisor 102 de haces.

Suponiendo que la fuente 101 de luz pulsada emita fotones únicos y que el divisor 102 de haces sea perfecto, para cada impulso, el primer detector D0 y el segundo detector D1 tienen una probabilidad igual de recibir el fotón. En la medida en que su eficacia sea la misma, se genera un bit de valor 0 cuando el primer detector D0 detecta el fotón y un bit de valor 1 se genera cuando el segundo detector D1 lo hace.

El ajuste del generador aleatorio cuántico de la Fig. 1 adolece de una serie de inconveniencias que afectan posiblemente a la calidad de la secuencia de bits extraída.

De hecho, las fuentes de luz estándar están emitiendo un número aleatorio de fotones/impulsos, que normalmente siguen una distribución de Poisson. En cuanto a si el carácter aleatorio puede ser un valor clave, en el ajuste de la Fig. 1 se representa un factor limitante. La necesidad de reducir la probabilidad de tener más de un fotón emitido hasta el nivel de 10-8 requiere que un número medio de fotones/impulsos emitidos no sobrepase unos cuantos 10-4, afectando a la velocidad que se puede conseguir.

Además, cualquier imperfección en el divisor 102 de haces tiene una influencia sobre la probabilidad de producir 0 y 1. Lo mismo ocurre a menos que el primer detector D0 y el segundo detector D1 sean idénticos en términos de probabilidad de detección de fotones y estabilidad frente a variaciones de la temperatura o la tensión de funcionamiento.

Debe apreciarse que las inconveniencias del instrumento y el ajuste pueden ser superadas con una ingeniería apropiada del sistema y poniendo en práctica métodos para equilibrar la probabilidad de producir una serie impredecible de valores de bits a través de algoritmos de tratamiento posterior.

Incluso así, se puede conseguir una elevada cantidad de bits aleatorios uniformes a una velocidad de un megabit por segundo (Mbps), pero a cambio de una complejidad aumentada del sistema y una eficacia baja en términos de bits útiles por acontecimiento aleatorio.

Según otras soluciones pertenecientes al estado de la técnica, los ejemplos de ajuste se basan en detectores sensibles de fotones únicos, que posiblemente resuelven el número de fotones, para detectar, sellar en el tiempo y registrar la emisión de fotones únicos mediante una fuente láser atenuada o diodos emisores de luz (LED). En particular, un generador de números aleatorios cuánticos que utiliza el tiempo de llegada de fotones está basado en la detección sellada de tiempo de fotones únicos a partir de una fuente de LED, detectados con un tubo de fotomultiplicadores (PMT) que imita el procedimiento puesto en práctica para impulsos aleatorios mediante una fuente radioactiva en un detector Geiger-Mueller o basado en silicio.

Según otra solución del estado de la técnica, el tubo de fotomultiplicadores ha sido sustituido por un fotodiodo de avalancha de fotón único (SPAD) y el ajuste global ha sido integrado en un único chip.

Una variación del mismo principio está basada en el recuento de impulsos originado por una fuente de luz en un intervalo de tiempo predefinido y basada en las propiedades Poissonianas de la distribución subyacente.

Según una solución perteneciente al estado de la técnica, los acontecimientos aleatorios corresponden a la detección de luz o su ausencia mediante una fuente de luz pulsada en un régimen de fotón único. La extracción aleatoria está basada en agrupar acontecimientos aleatorios en bloques y aplicar un algoritmo que requiere fuentes que aumentan polinómicamente con la longitud del bloque, puesto en práctica en una matriz de puertas programable de campo (FPGA).

Según una solución adicional del estado de la técnica, una matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD) es iluminada por medio de una fuente de LED que emite ráfagas de fotones en un intervalo de tiempo perfectamente ajustado para que tenga un 50% de probabilidades para cada pixel de detectar un fotón.

Sin embargo, si el diseño de este ajuste es ciertamente de interés para una puesta en práctica en paralelo que permita, en principio, la generación de bits aleatorios en la velocidad de Gbps, su principal fragilidad consiste en el requisito de un ajuste “perfecto” del tiempo de la duración de los impulsos.

Otra solución del estado de la técnica está basada, por su parte, en la generación de dos cadenas de bits aleatorios según las propiedades estadísticas de la distribución Poissoniana, en el número de fotones detectados por impulso mediante un fotomultiplicador de silicio, a saber, una matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD) con un rendimiento común.

Sin embargo, una vez más, el principio es esencial pero la puesta en práctica es bastante deficiente, requiriendo una separación perfecta en la asignación del número de fotones/impulsos detectados, un control extremo del sistema y una calibración precisa antes y durante la generación de secuencias.

En resumen, todas las soluciones basadas en imitar la detección de partículas por una fuente radioactiva usando impulsos de luz presentan:

- complejidades en el ajuste debido a las características de la fuente de luz y el requisito de un sistema detector de fuente doble;

- falta de consistencia asociada al requisito de una estabilidad extrema frente a variaciones de la temperatura y la tensión;

- en algún caso, una baja velocidad de bits aleatorios extraídos por acontecimiento.

Los siguientes documentos de publicaciones describen un generador de números aleatorios cuánticos usando fotomultiplicadores de silicio:

Z. Bisadi et al: "Compact Quantum Random Number Generator with Silicon Nanocrystals Light Emitting Device Coupled to a Silicon Photomultiplier "

K.A. Balygin et al: "Implementation of a quantum random number generator based on the optimal clustering of photocounts"

V. Saveliev et al: "The recent development and study of silicon photomultiplier "

El documento de publicación de la solicitud de patente de Estados Unidos US 2007/156798 A1 describe el uso de ruido térmico como una fuente de carácter aleatorio.

La patente China CN 103713879 B describe antecedentes de la técnica anterior sobre generadores de números aleatorios cuánticos.

Sumario de la invención

Es un objeto de la presente invención idear y proporcionar un dispositivo para generar secuencias de bits aleatorios que permita resolver, al menos parcialmente, los inconvenientes anteriormente mencionados en referencia a la técnica anterior, que tenga una fiabilidad elevada con un ajuste menos complejo, garantizando una estabilidad elevada frente a las variaciones de temperatura y tensión y una velocidad elevada de bits aleatorios extraídos por acontecimiento.

Este objeto se consigue mediante un dispositivo según la reivindicación 1.

Las realizaciones preferidas de dicho dispositivo se definen en las reivindicaciones dependientes.

Además, es un objeto de la presente invención, un método para generar secuencias de bits aleatorios.

Breve descripción de las Figuras

Otras características y ventajas del dispositivo y el método según la presente invención resultarán evidentes en la siguiente descripción, que muestra realizaciones preferidas, proporcionadas a modo de ejemplos indicativos y no limitativos, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

- La Figura 1 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un generador de números aleatorios perteneciente al estado de la técnica.

- La figura 2 muestra esquemáticamente por medio de diagramas de tiempo, la tendencia a lo largo del tiempo de las secuencias o impulsos que pueden ser generados mediante un dispositivo para generar secuencias de bits aleatorios según la presente invención.

- La Figura 3 muestra esquemáticamente, mediante un esquema de bloques, un dispositivo para generar secuencias de bits aleatorios según una realización de la presente invención;

- La Figura 4 muestra esquemáticamente, por medio de un esquema de bloques, un dispositivo para generar secuencias de bits aleatorios según una realización de la presente invención, y

- la figura 5 muestra esquemáticamente, por medio de un diagrama de bloques, un método para generar secuencias de bits aleatorios según una realización de la presente invención.

Descripción detallada

Haciendo referencia a las figuras anteriormente mencionadas según la presente invención, se describirá seguidamente un dispositivo 200 para generar una secuencia de bits aleatorios, en el siguiente dispositivo de forma también simple.

En referencia, en particular, a las realizaciones de la Fig. 3 y 4, el dispositivo 200 comprende el detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único configurado para generar una secuencia de impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos como consecuencia de una autoampliación dirigida por ionización de impacto de portadores de carga térmicamente generados, a las que puede ser sometido un detector fotomultiplicador 201 de silicio.

A este respecto, se debe observar que el solicitante apreció la posibilidad de generar bits aleatorios mediante impulsos autoampliados sellados de tiempo, debido a portadores de carga estocásticamente generados en una serie de confluencias (celdas) p-n que se hacían funcionar más allá de la tensión de ruptura, a saber, dispositivos conocidos como fotomultiplicadores de silicio o contadores de fotones de múltiples píxeles.

Este mecanismo endógeno se espera que supere la complejidad y la deficiencia de los actuales generadores de números aleatorios basados en efectos cuánticos basándose en una fuente exógena de impulsos, ya sea una fuente radioactiva o de fotones.

La naturaleza cuántica de las bandas de energía en dispositivos semiconductores, la distribución de electrones en los niveles de energía según las estadísticas de Fermi-Dirac y los efectos de campos eléctricos elevados en dispositivos microelectrónicos proporcionan este mecanismo.

De hecho, la generación y recombinación estocástica térmicamente dirigida asistida por colectores de portadores libres es dominante en el silicio y otros materiales semiconductores indirectos y es el fenómeno físico en la base de la corriente eléctrica de generación en la región de agotamiento de confluencias p-n.

Además, si la confluencia se hace funcionar en el régimen de avalancha, este mecanismo es responsable de la aparición de impulsos aleatorios.

Independientemente del mecanismo, el solicitante apreció que el punto clave es que la densidad elevada de portadores potenciales, la aparición aleatoria de llevarlos a la banda conductora junto con la probabilidad estocástica de inducir una ruptura de avalancha conduce a una serie de impulsos independientes que se espera que sigan una distribución Poissoniana, por tanto, los impulsos están desvinculados y su aparición es impredecible.

Los fotomultiplicadores de silicio (SiPM) están actualmente disponibles en el mercado por una diversidad de productores, con densidades hasta 40.000 celdas/mm2 [40], áreas en exceso de 6 x 6 mm2 y técnicas de interconexión del estado de la técnica anterior que permiten construir un mosaico de detectores de ecualizados en áreas amplias.

En SiPM, los campos eléctricos elevados en el volumen de confluencia conducen a la multiplicación de cargas de ionización de impacto, con aumentos hasta 106 a tensiones de desviación que no sobrepasan 70 V.

En particular, los SiPM funcionan esencialmente en un régimen de Geiger-Mueller limitado e inactivado, de forma que un único portador de carga puede provocar un impulso con probabilidades que se aproximan a 100% a pocos voltios por encima de la tensión de ruptura.

Los SiPM son comercializados como detectores de resolución sensibles a fotones únicos y de número de fotones, con una sensibilidad extrema debida a las avalanchas provocadas por un único portador de carga liberado por un fotón.

Sin embargo, el desarrollo de avalancha es ciego al mecanismo que genera el portador principal: puede ser un fotón así cualquier procedimiento estocástico endógeno relacionado con la temperatura del mapa de campos eléctricos.

Este es el principio en la base de la presente invención, que consiste en un SiPM encapsulado en completa oscuridad que identifica los impulsos aleatoriamente iniciados, sellándolos de tiempo y convirtiendo la secuencia de impulsos en una serie de bits. La amplitud de los impulsos, millones de electrones a lo largo de unas pocas decenas de nanosegundos, hace su identificación consistente y sin fallos, el desarrollo del tiempo de avalancha, con un borde conductor de la señal al nivel de nanosegundos, hace el sellado de tiempo extremadamente preciso; los mecanismos de generación endógenos hacen que el procedimiento sea consistente, también frente a variaciones de la temperatura que se espera que cambie la velocidad sin impedir el carácter aleatorio.

Las velocidades de los impulsos pueden conseguir 1MHz/mm2 a temperatura ambiente a unos pocos voltios sobre la ruptura, ofreciendo la posibilidad de diseñar dispositivos muy compactos.

Un ejemplo de ilustración de impulsos E1, E2, E3, E4, estocásticamente generados en un SiPM, como el detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único de las realizaciones de las figuras 3 y 4 se muestra en la Figura 2. La identificación de impulsos está seguida del registro de su tiempo de llegada ti, i = 1, 2, 3, 4... N, con respecto a un origen de tiempo tor de referencia, como se muestra en el panel inferior de la figura 2.

Si los impulsos son desvinculados e independientes, en un par de intervalos de tiempo entre llegadas (dTi, dTj), en que dTi = Ti 1 - Ti, hay una probabilidad igual p de que dTi sea más largo o más corto que dTj, a saber: P (dTi > dTj) = P (dTi < dTj) = 0,5.

Según esta propiedad general de secuencias o acontecimientos sin memoria, los bits son extraídos según el siguiente procedimiento:

Si dTi > dTi+2 el i-ésimo bit en la secuencia se ajusta a 1;

Si dTi < dTi+2 el i-ésimo bit en la secuencia se ajusta a 0;

Si dTi = dTi+2 no se produce ningún bit.

En ejemplo de ilustración de la Fig. 2

dT1 = t2 - ti;

dT 2 = t3 — t2;

dTa = t4 — t3;

Si dT1 < dT2 el 1er bit en la secuencia de ajusta a 0.

Este procedimiento garantiza una eficacia de extracción de bits hasta un 50%, posiblemente reducida por el número de intervalos de tiempo iguales.

Además, está exento de desviaciones (incluyendo el impacto potencial del sellado de tiempo por un reloj continuo) y no requiere algoritmos de tratamiento que reducen la velocidad de bits efectiva.

El detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único en silicio está configurado para reunir la entropía y, como ya se explicó anteriormente, generar una secuencia de impulsos de corriente aleatorios endógenos mediante autoampliación dirigida por ionización de impacto (por ejemplo, aumento de 106) de portadores de carga térmicamente generados, es decir, avalanchas.

Volviendo a las realizaciones de la Fig. 3 y 4, el dispositivo 200 comprende adicionalmente una unidad 202 de tratamiento de datos configurada para recibir dicha secuencia de impulsos I1 de corriente aleatorios endógenos y determinar una secuencia S2 de bits aleatorios que se proporciona a un usuario final EU, sobre la base de dichos impulsos I1 de corriente aleatorios endógenos recibidos de dicho detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

Ejemplos de un usuario final EU son dispositivos de generación de claves criptográficas, máquinas electrónicas de juegos de azar o sistemas de codificación aleatorios de redes.

Según una realización, mostrada en la Fig. 3, la unidad 202 de tratamiento de datos del dispositivo 200 comprende un módulo 203 de acondicionamiento de señales configurado para recibir dichos impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos.

El módulo 203 de acondicionamiento de señales del dispositivo 200 está configurado para determinar una señal lógica de parada STP para cada impulso de corriente de dicha secuencia del impulso S1 de corriente aleatorios endógenos recibidos desde dicho detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

El módulo 203 de acondicionamiento de señales puede ser considerado como un módulo de extremo frontal analógico (AFE).

Según la realización de la Fig. 3, la unidad 202 de tratamiento de datos del dispositivo 200 comprende adicionalmente un módulo 204 conversor de tiempo a digital configurado para recibir una señal lógica de salida STR y cada señal lógica de parada STP determinada por el módulo 203 de acondicionamiento de señales. El módulo 204 conversor de tiempo a digital está configurado además para medir el intervalo de tiempo entre un tiempo de llegada de cada señal lógica de parada y el tiempo de llegada de la señal lógica de salida STR.

Según la realización de la Fig. 3, la unidad 202 de tratamiento de datos del dispositivo 200 comprende además un módulo 205 de control configurado para proporcionar al módulo 204 conversor de tiempo a digital la señal lógica de salida STR en la puesta en marcha del dispositivo 200.

Según la presente realización, el módulo 205 de control está adicionalmente configurado para tratar cada intervalo de tiempo medido por el módulo 204 conversor de tiempo a digital y generar la secuencia S1 de bits aleatorios para que sea proporcionada al usuario final EU, sobre la base de cada intervalo de tiempo tratado.

Según una realización, el módulo 205 de control es un módulo de sistema en chip (SoC).

El módulo 205 de control está configurado para comunicarse con el otro módulo del dispositivo 200 a través de una interfaz periférica de serie (SPI) y/o protocolos de circuitos interintegrados (líneas I2C).

Según una realización, mostrada en la Fig.3, el dispositivo 200 comprende además un módulo 206 de suministro de energía de alta tensión configurado para proporcionar un suministro de energía de alta tensión al menos a un detector fotomultiplicador 201 de silicio.

El módulo 206 de suministro de energía de alta tensión está configurado además para controlar la dependencia de la tensión eléctrica de funcionamiento y la desviación en exceso del detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único con respecto al valor de la tensión de ruptura.

Según una realización, en combinación con la previa, el módulo 205 de control está configurado para controlar el amenos un detector fotomultiplicador 201 de silicio a través del módulo 206 de suministro de energía de alta tensión.

Según esta realización, el módulo 205 de control está configurado además para controlar también el módulo 203 de acondicionamiento de señales y el módulo 204 conversor de tiempo a digital.

Como se mencionó anteriormente, el módulo 203 de acondicionamiento de señales puede ser considerado como un módulo de extremo frontal analógico (AFE).

A este respecto, según una realización mostrada en la Figura 4, el módulo 203 de acondicionamiento de señales comprende un módulo 401 de conversión de corriente-tensión configurado para convertir cada impulso de corriente de la secuencia de impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos en un correspondiente impulso de tensión. Un ejemplo de un módulo 401 de conversión de corriente a tensión es un amplificador de transimpedancia. Según esta realización, mostrada en la Figura 4, el módulo 203 de acondicionamiento de señales comprende además un módulo 402 adaptador de nivel configurado para adaptar el nivel de cada impulso de tensión.

El módulo 402 adaptador de nivel está en dirección descendente del módulo 401 de conversión de corriente a tensión.

Un ejemplo de módulo 402 adaptador de nivel es un módulo de apagado de una señal.

Según esta realización el módulo 203 de acondicionamiento de señales comprende además un módulo comparador 403 configurado para comparar cada impulso de tensión con un umbral ajustable.

El módulo comparador 403 está configurado además para proporcionar un aporte de nivel de tensión lógico siempre que se sobrepase el umbral.

De hecho, según esta realización, el módulo comparador 403 está configurado además para generar cada señal lógica de parada STP sobre la base del resultado de la comparación realizada.

El módulo comparador 403 puede estar basado en un patrón diferente, por ejemplo, patrón TTL, patrón NIM, patrón CMOS, patrón ECL, etcétera.

El módulo comparador 403 está en una dirección descendente del módulo 402 adaptador de nivel.

En esta realización, el dispositivo 200 comprende además un módulo 404 conversor de digital a analógico funcionalmente conectado al módulo comparador 203 y configurado para proporcionar al módulo comparador 403 el umbral ajustable.

El módulo 404 conversor de digital a analógico está controlado por el módulo 205 de control.

Según una realización adicional, mostrada en la Fig. 4, en combinación con cualquier realización previamente descrita, el dispositivo 200 comprende además un elemento Peltier 405 funcionalmente asociado detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

El elemento Peltier 405, basado en el control de la temperatura, está configurado para controlar las variaciones de temperatura del detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

A este respecto, si el carácter aleatorio no está afectado por variaciones de la temperatura, el estudio de la frecuencia de impulsos de corriente frente a la temperatura puede ser de interés para los usuarios finales.

Según una realización, el elemento Peltier 405 está insertado en un encapsulamiento que integra también el detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

Según una realización, mostrada en la Fig. 4, el dispositivo 200 comprende un módulo 406 convertidor reductor DC a DC funcionalmente conectado al elemento Peltier 405.

El módulo 406 de convertidor reductor DC a DC está configurado para adecuar el elemento Peltier 405.

El módulo 406 convertidor reductor DC a DC está controlado por el módulo 205 de control.

Según una realización adicional, mostrada en la Fig. 4, en combinación con cualquiera de las realizaciones anteriormente descritas, el módulo 205 de control comprende una interfaz 407 de salida configurada para proporcionar al usuario final EU la secuencia S2 de bits aleatorios que va a ser proporcionada a un usuario final EU.

Ejemplos de interfaz 407 de salida pueden ser un puerto de comunicación de tipo Ethernet, tipo USB o tipo Wi-Fi. Según las diferentes realizaciones, la integración del dispositivo se puede conseguir de una forma eficiente, altamente adaptable y económica.

De hecho, según una realización, no mostrada en las figuras, en combinación con cualquier realización anteriormente descrita, el detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único puede estar albergado en un encapsulado para transistores (TO), insertando también el elemento Peltier 405 y facilitando al mismo tiempo el ocultamiento del fotomultiplicador 201 de silicio de la luz externa.

Además, según una realización adicional, no mostrada en las Figuras, en combinación con cualquier realización anteriormente descrita, debe apreciarse que la medición del tiempo se puede realizar a través de diferentes arquitecturas.

Como un ejemplo, se puede usar un chip específico que ofrezca la posibilidad de un coste unitario en dólares para medir el tiempo desde dos fuentes independientes con una resolución al nivel de 55 ps, digitalización del tiempo sobre 24 bits y la posibilidad de registrar hasta cinco (5) señales de parada lógicas para cada ciclo.

Sin embargo, debe apreciarse que, en términos de consumo de energía, esta realización se espera que requiera unos pocos watios y deben estar previstas estructuras multicapas típicas sobre un área típica de 25 a 100 cm2 En lo que se refiere al tamaño y el consumo de energía, se puede considerar una realización adicional, no mostrada en las Figuras, en combinación con cualquier realización anteriormente descrita.

Según esta realización, el tiempo para un módulo 204 convertidor digital se puede llevar a cabo en un chip de matriz de puertas programable de campo (FPGA), en el que el número de arquitecturas se ha demostrado que es fiable.

Según esta realización, el detector fotomultiplicador 201 de silicio no está controlado por la temperatura y puede estar dispuesto en un circuito impreso con un encapsulado DSMT (tecnología de montaje de superficie), pero se puede proporcionar un aporte de temperatura para la estabilización de las sobretensiones.

Esta realización puede encajar ventajosamente en un área que no sobrepase unos pocos cm2 para un consumo de energía en el intervalo de unos pocos centenares de mW.

Según otra realización, no mostrada en las figuras, en combinación con cualquier realización previamente descrita se puede disponer un dispositivo miniaturizado de baja energía en un circuito de aplicación específica (ASIC), aprovechando los avances en integración vertical de dispositivos microelectrónicos y el diseño de un módulo convertidor de tiempo a digital para LIDAR (detección y fluctuación de la luz), aplicaciones de física de alta energía y médicas.

Según esta realización, el dispositivo 200 puede comprender detectores fotomultiplicadores de silicio adicionales distintos de los de un detector fotomultiplicador 201 de silicio.

Con referencia a la Figura 5, se describe seguidamente un método 500 para generar secuencias de bits aleatorios, según la presente invención.

El método 500 comprende una etapa simbólica de salida ST.

El método 500 comprende además una etapa de generación, 501, mediante un detector fotomultiplicador 201 de silicio de una secuencia de impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos como consecuencia de una autoampliación dirigida por ionización de impacto de los portadores de carga térmicamente generados, a los que está sometido el detector fotomultiplicador 201 de silicio.

El método 500 comprende además una etapa de recepción 502, mediante una unidad 202 de tratamiento de datos de un dispositivo 200 para generar secuencias de bits aleatorios, de dicha secuencia de impulsos 201 de corriente aleatorios endógenos.

El método 500 comprende además una etapa de determinación 503, mediante la unidad 202 de tratamiento de datos, de una secuencia S2 de bits aleatorios para ser proporcionada a un usuario final EU, sobre la base de dicha secuencia de impulsos I1 de corriente aleatorios endógenos recibidos de dicho detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

El método 500 termina con una etapa simbólica de ED de terminación.

Según una realización, mostrada en líneas discontinuas en la figura 1, la etapa de determinación 503 comprende adicionalmente una etapa de determinación 504, mediante un módulo 203 de tratamiento de señales de la unidad 202 de tratamiento de datos, una señal lógica de parada STP para cada impulso de corriente de dicha secuencia de impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos recibidos de dicho detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único.

Según una realización, mostrada en las líneas discontinuas de la Figura 5 en combinación con la realización anterior, la etapa de determinación 503 comprende adicionalmente las etapas de:

- recepción 505, mediante un módulo 204 convertidor de tiempo a digital de la unidad 202 de tratamiento de datos, de una señal lógica de salida STR y cada señal lógica de parada STP, determinadas mediante el módulo 203 de tratamiento de señales;

- medición 506, mediante el módulo 202 convertidor de tiempo a digital de la unidad 202 de tratamiento de datos del intervalo de tiempo entre un tiempo de llegada, de cada señal lógica de parada STP y el tiempo de llegada de la señal lógica de salida STR.

Según una realización, mostrada en líneas discontinuas en la Figura 5, en combinación con la realización anterior, la etapa de determinación 503 comprende adicionalmente una etapa de provisión 507, mediante un módulo 205 de control de la unidad 202 de tratamiento de datos, de la señal lógica de salida STR al módulo 204 convertidor de tiempo a digital de la unidad 202 de tratamiento de datos en la puesta en marcha del dispositivo 200.

Según una realización, mostrada en líneas discontinuas en la Figura 5, en combinación con la realización anterior, la etapa 503 de determinación comprende además las etapas de:

- tratamiento 508, mediante el módulo 205 de control, de cada intervalo de tiempo medido por medio del módulo 204 convertidor de tiempo a digital;

- generación 509, mediante el módulo 205 de control, de la secuencia S1 de bits aleatorios para ser proporcionada al usuario final EU, sobre la base de cada intervalo de tiempo tratado.

Según una realización, mostrada en la Figura 5, la etapa de determinación 504 comprende las etapas de:

- conversión 510, mediante un módulo 401 de conversión de corriente a tensión del módulo 203 de acondicionamiento de señales, de cada impulso de corriente de los impulsos S1 de corriente aleatorios endógenos en un correspondiente impulso de tensión;

- adaptación 501, mediante un módulo 402 adaptador del nivel de módulo 203 de tratamiento de señales, del nivel de cada impulso de tensión;

- comparación 512, mediante un módulo 403 comparador del módulo 203 de acondicionamiento de señales, de cada impulso de tensión con un umbral ajustable proporcionado por medio de un módulo 404 convertidor de digital a análogo del dispositivo 200;

- generación 513, mediante el módulo comparador 403 del módulo 203 de acondicionamiento de señales, de cada señal lógica de parada STP, sobre la base del resultado de la comparación realizada.

Según una realización, mostrada con líneas discontinuas en la Figura 5, en combinación con cualquier realización anteriormente descrita, el método 500 comprende adicionalmente una etapa de control 514, mediante un elemento Peltier 405 del dispositivo 200, funcionalmente asociado al detector fotomultiplicador 201 de silicio al menos único, de las variaciones de temperatura del detector fotomultiplicador 201 de silicio.

El dispositivo y el método según la presente invención tiene varias ventajas, es decir:

a) Complejidad mínima debido a la naturaleza endógena de los impulsos aleatorios de naturaleza cuántica; b) Bajo consumo de energía;

c) Resistencia frente a variaciones de temperatura y suministro de energía;

d) Bajo coste debido a la tecnología de silicio;

e) Alta eficacia (velocidad de bits/impulso) (sin que sea necesario un tratamiento posterior con algoritmos blanqueantes);

f) Costes reducidos;

g) Velocidad de bits relativamente elevada (por encima de un detector de 1 bps/mm2);

h) Adaptación a escala.

Los expertos en la técnica pueden hacer cambios y adaptaciones en las realizaciones anteriormente descritas del dispositivo y el método para generar secuencias de bits aleatorios o puede sustituir elementos con otros que sean funcionalmente equivalentes, con el fin de cumplir las necesidades específicas sin apartarse del alcance de las siguientes reivindicaciones. Cada una de las características descritas como pertenecientes a una posible realización, deben ponerse en práctica independientemente de las otras realizaciones descritas.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (200) para generar secuencias de bits aleatorios, que comprende:

- un conjunto de confluencias P-N que se hacen funcionar por encima de la tensión de ruptura, configurado para generar térmicamente portadores de carga,

- al menos un detector fotomultiplicador (201) de silicio configurado para generar una secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos como consecuencia de una autoampliación dirigida por ionización de impacto de los portadores de carga térmicamente generados a los que está sometido el detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único;

- una unidad (202) de tratamiento de datos configurada para recibir dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos y para determinar una secuencia (S2) de bits aleatorios para ser proporcionada a un usuario final (EU), sobre la base de dicha secuencia impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos recibida desde dicho detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

2. El dispositivo (200) según la reivindicación 1, en el que dicha unidad (202) de tratamiento de datos comprende un módulo (203) de acondicionamiento de señales configurado para recibir dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos, estando configurado dicho módulo (203) de acondicionamiento de señales para determinar una señal lógica de parada (STP) para cada impulso de dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos recibidos desde dicho detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

3. El dispositivo (200) según la reivindicación 2, en el que dicha unidad (202) de tratamiento de datos comprende además un módulo (204) convertidor de tiempo a digital configurado para recibir una señal lógica de salida (STR) y cada señal lógica de parada (STP) determinada por el módulo (203) de acondicionamiento de señales, estando configurado además dicho módulo (204) convertidor de tiempo a digital para medir el intervalo de tiempo entre un tiempo de llegada de cada señal lógica de parada (STP) y el tiempo de llegada de la señal lógica de salida (STR).

4. El dispositivo (200) según la reivindicación 3, en el que la unidad (202) de tratamiento de datos comprende un módulo (205) de control configurado para enviar al módulo (204) convertidor de tiempo a digital dicha señal lógica de salida (STR) en la puesta en marcha del dispositivo (200), estando dicho módulo (205) de control adicionalmente configurado para tratar cada intervalo de tiempo medido por el módulo (204) convertidor de tiempo a digital y para generar la secuencia (S1) de bits aleatorios que va a ser proporcionada al usuario final (EU) sobre la base de cada intervalo de tiempo tratado.

5. El dispositivo (200) según la reivindicación 4, que comprende adicionalmente un módulo (206) de suministro de energía de alta tensión configurado para proporcionar un suministro de energía de alta tensión al detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único, estando adicionalmente configurado el módulo (206) de suministro de energía de alta tensión para controlar la dependencia de la tensión eléctrica de funcionamiento y el exceso ocasional del detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único con respecto al valor de tensión de ruptura.

6. El dispositivo (200) según la reivindicación 4, en el que el módulo (205) de control está configurado para controlar el detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único a través del módulo (206) de suministro de energía alta tensión, estando adicionalmente configurado el módulo (205) de control para controlar también el módulo (203) de acondicionamiento de señales y el módulo (204) convertidor de tiempo a digital.

7. El dispositivo (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2-6, en el que el módulo (203) de acondicionamiento de señales comprende:

- un módulo (401) de conversión de corriente a tensión configurado para convertir cada impulso de corriente de la secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos en un correspondiente impulso de tensión;

- un módulo (402) adaptador de nivel configurado para adaptar el nivel de cada impulso de tensión;

- un módulo comparador (403) configurado para comparar cada impulso de tensión con un umbral ajustable proporcionado por un módulo (404) convertidor digital a analógico funcionalmente conectado al módulo comparador (203), estando adicionalmente configurado el módulo comparador (403) para generar cada señal lógica de parada (STP) sobre la base del resultado de la comparación realizada.

8. El dispositivo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2-7, que comprende adicionalmente un elemento Peltier (405) funcionalmente asociado al detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único, estando basado dicho elemento Peltier (405) en el control de la temperatura, y estando configurado para controlar las variaciones de temperatura del detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

9. El dispositivo (200) según la reivindicación 8, en el que dicho elemento Peltier (405) está insertado en un encapsulado que integra también el detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

10. El dispositivo (200) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 y 9, que comprende además un módulo (406) convertidor reductor DC a DC funcionalmente conectado al elemento Peltier (405), estando configurado el módulo (406) convertidor reductor DC a DC para adecuar el elemento Peltier (405), estando controlado el módulo (405) convertidor reductor de DC a DC mediante el módulo (205) de control.

11. El dispositivo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4-9, en el que el módulo (205) de control comprende una interfaz (407) de salida, configurada para proporcionar al usuario final (EU) la secuencia (S2) de bits aleatorios que va a ser proporcionada a un usuario final (EU).

12. Método (500) para generar secuencias de bits aleatorios, que comprende las etapas de:

- generación (501), mediante al menos un detector fotomultiplicador (201) de silicio, de una secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos como consecuencia de una autoampliación dirigida por ionización de impacto de portadores de carga térmicamente generados a los que está sometido el detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único, de modo que los portadores de carga son térmicamente generados por un conjunto de confluencias P-N que se hace funcionar por encima de la tensión de ruptura;

- recepción (502), mediante una unidad (202) de tratamiento de datos de un dispositivo (200) para generar secuencias de bits aleatorios, de dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos;

- determinación (503) mediante la unidad (202) de tratamiento de datos de una secuencia (S2) de bits aleatorios que va a ser proporcionada a un usuario final (EU), sobre la base de dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos recibidos desde dicho detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

13. El método (500) según la reivindicación 12, en el que la etapa de determinación (503) comprende adicionalmente una etapa de determinación (504), mediante un módulo (203) de acondicionamiento de señales de la unidad (202) de tratamiento de datos, de una señal lógica de parada (STP) para cada impulso de corriente de dicha secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos recibidos desde dicho detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.

14. El método (500) según la reivindicación 13, en el que la etapa de determinación (503) comprende adicionalmente las etapas de:

- recepción (505), mediante un módulo (204) convertidor de tiempo a digital, de la unidad (202) de tratamiento de datos, de una señal lógica de salida (STR) y cada señal lógica de parada (STP) determinada por el módulo (203) de acondicionamiento de señales;

- medición (506), mediante el módulo (204) convertidor de tiempo a digital de la unidad (202) de tratamiento de datos, del intervalo de tiempo entre un tiempo de llegada de cada señal lógica de parada (STP) y el tiempo de llegada de la señal lógica de salida (STR).

15. El método (500) según la reivindicación 14, en el que la etapa de determinación (503) comprende adicionalmente una etapa de provisión (507), mediante un módulo (205) de control de la unidad (202) de tratamiento de datos, de la señal lógica de salida (STR) al módulo (204) convertidor de tiempo a digital de la unidad (202) de tratamiento de datos en la puesta en marcha del dispositivo (200).

16. El método (500) según la reivindicación 15, en el que la etapa de determinación (503) comprende adicionalmente las etapas de:

- tratamiento (508), mediante el módulo (205) de control, de cada intervalo de tiempo medido por el módulo (204) convertidor de tiempo a digital;

- generación (509) mediante el módulo (205) de control, de la secuencia (S1) de bits aleatorios que va a ser proporcionada al usuario final (EU), sobre la base de cada intervalo de tiempo tratado.

17. El método (500) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13-16, en el que la etapa de determinación (504) comprende las etapas de:

- conversión (510) mediante un módulo (401) de conversión de corriente a tensión del módulo de acondicionamiento de señales, de cada impuso de corriente de la secuencia de impulsos (S1) de corriente aleatorios endógenos en un correspondiente impulso de tensión;

- adaptación (511), mediante un módulo (402) adaptador de nivel del módulo de acondicionamiento de señales, del nivel de cada impulso de tensión;

- comparación (512) mediante un módulo comparador (403) del módulo (203) de acondicionamiento de señales, de cada impulso de tensión con un umbral ajustable proporcionado por un módulo (404) convertidor de digital a analógico del dispositivo (200);

- generación (513), mediante el módulo comparador (403) del módulo (203) de acondicionamiento de señales, de cada señal lógica de parada (STP) sobre la base del resultado de la comparación realizada.

18. El método (500) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 12-17, que comprende adicionalmente una etapa de control (514), mediante un elemento Peltier (405) del dispositivo (200) funcionalmente asociado al detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único, de las variaciones de temperatura del detector fotomultiplicador (201) de silicio al menos único.