近日，美国布朗大学物理系博后研究员王康博士和肖钢教授团队使用微小的磁性“漩涡”制备真随机数生成器，可用于生成对密码学和概率计算有用的真随机数。据介绍，王康利用单个磁性“斯格明子”（Skyrmion）的局域波动行为产生随机数，每秒内可生成多达 1000 万位。
图 | 王康（来源：王康）
2 月 7 日，相关论文以《基于单个斯格明子局域动力学的真随机数生成器和斯格明子之间相互作用的研究》（Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions）为题发表在 Nature Communications 上。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
随机数（random number）指的是统计上随机生成的数字。生成随机数的方法有很多，并被统称为随机数生成器。而真正“纯天然”的随机数，恰恰存在于日常物理现象中：比如掷钱币、骰子、核裂变，这些现象中产生的数字可谓绝对随机，因此也被称为物理性随机数生成器。除此之外，人们也可使用计算机来生成随机数。
随机数到底有多重要？在网络安全、游戏以及科学模拟中，它都是不可或缺的。以网络安全为例，只有使用不可预测的数字，才能让数据传输得以安全进行。如果生成的数字不是随机的，不法分子或从相关信息中找到数字生成规律，这时未经授权的组织或可在数据传输和存储期间去访问数据，进而危害网络安全。
尽管计算机能产生随机数，但它们并不是严格意义上的随机数。在计算机中，让算法根据起始位置生成随机数。但由于算法是确定的，因此这些数字并不是真正的随机数。只需获得相关算法信息，就能在生成的数字中找到规律、也即获得伪随机数。不过，在数据安全的相关应用程序里，还需使用外部无法猜到的随机数序列，而这种数字才是真正的随机数。
为了产生真正的随机数，学界通常会从自然世界获得灵感。比如，真随机数生成器的模拟一般会基于具有真正随机性质的固有热噪声、或光电效应的物理源。例如，流经电阻器的电流的随机波动均可用于生成随机数。
真正随机数生成器的硬件，必须具备低能耗、高速度这两大特点。而自旋电子系统正是制备该硬件的一个理想系统。
作为一种准粒子，磁性斯格明子具备拓扑保护性，有望用于构建真随机数生成器。斯格明子的概念最早由英国物理学家托尼·斯凯尔姆（Tony Skyrme）在粒子物理中提出，而后这一概念扩展到不同领域，包括磁性材料领域。磁性斯格明子的直径通常约为 1 微米甚至更小，行为表现就像一种粒子，可从材料一侧运动到另一侧。
超薄材料中磁性斯格明子是一簇电子自旋合集所产生的拓扑磁结构。这里的自旋也可被认为是每个电子的微小磁矩，在位置上它指向上下或介于两者之间。一些二维材料在处于最低能量状态下，具有垂直磁各异性的特征，这意味着电子自旋均指向垂直于薄膜的方向。
当这些材料被电流或磁场激发时，一些电子自旋会根据系统能量的增加，而出现随机翻转的情况。这种情况发生时，周围电子的自旋会受到扰动，借此形成一个围绕翻转电子的磁漩涡、即磁性斯格明子。
走了一条从未有人走过的路
磁性斯格明子具有高效的可控性和稳定性，故可作为相关数据存储、逻辑计算以及神经网络计算器件的有效载体。在研发这些应用时，通过自旋流、或微观热扰动进行操作，以及对磁结构电学性质的测量具有重要意义。
目前，学界对磁性斯格明子的研究和电学表征，仍限于静态表征。比如，测量磁性斯格明子产生的异常霍尔电压，以及测量磁性斯格明子拓扑霍尔的信号等。此前，在磁性斯格明子对各种扰动的动态响应上，依然鲜少有人研究。
具体探索方向上，则包括磁性斯格明子的动态响应到底该如何影响电学输运特性，以及相互作用、拓扑性和各种扰动在磁性斯格明子动态响应中所起到的作用。王康指出，要想设计和开发磁结构动态响应、以及相关自旋电子器件，就得清楚了解上述问题。
有时科研很像造房子，如果说上面的步骤好比“画图纸”，下面就要按图“造房子”也就是建设测量平台。
在这一步，王康要对磁性斯格明子在自旋流和热扰动下所产生的电学噪声进行测量。噪声测量可用于表征凝聚态物质状态的特性，包括磁结构在自旋流和热扰动下的动态响应。基于这一目标，他和肖钢教授等人把自主搭建的磁光克尔效应显微镜与电学噪声测量系统相结合，以便对磁性斯格明子的动态行为做以直接照相、并对相应电学输运特性进行测量。
在自旋流和热扰动下，磁材料中的缺陷所引起的钉扎效应、会影响磁结构的动态响应。磁结构中的钉扎效应，可由多种方式产生。钉扎中心的产生原理在于，磁各向异性和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用会发生局部变化。王康使用一种在材料的原子晶格中产生细微缺陷的技术，来引入斯格明子的局部行为。
（来源：Nature Communications）
当材料中形成斯格明子时，钉扎中心将磁性斯格明子固定在适当的位置，而不是让它们像往常一样移动。当一个斯格明子被固定在适当的位置时，它们的大小会随机波动。斯格明子的一部分紧紧地固定在一个钉扎中心上，其余部分来回跳跃，围绕着两个附近的钉扎中心，一个更近、一个更远，从而产生随机电报噪声，进而可用于真正随机数的产生。
（来源：王康）
基于单个磁性斯格明子的局域波动行为，王康对其做了更详细的测量与表征，具体包括数码产生的随机性、以及外加垂直磁场和电流对单个斯格明子局部行为的调控。
（来源：Nature Communications）
而要将磁性斯格明子真正应用到器件中，还需提升电学信号在“0”和“1”态的信噪比，以及提升随机数码的产生速率。在不同温度和不同钉扎效应下，通过进一步实验和微磁学模拟研究，他们发现，信噪比可通过减小霍尔转换器的尺寸、升高温度、以及减小两个弱钉扎中心之间间距得以实现。在材料制备中，通过优化钉扎中心的分布，可让基于单个磁性斯格明子的真正随机数码产生器，每秒产生多达 1000 万个随机数字。
可用于逻辑计算、神经元网络计算等领域
概括来说，单个磁性斯格明子的局部行为，可用于构建真正随机数码生成器。如之前所说，在网络数据安全、游戏和科学模拟中，真正随机数码产生器的作用至关重要。
该研究表明，基于单个磁性斯格明子的真正随机数码产生器所产生的字符串，处于“0”和“1”态的概率可通过外加垂直磁场和自旋流来进行有效调控。这使得单个磁性斯格明子可被作为一个随机元（stochastic neuron），并可用于随机计算和神经网络计算等多个方面，比如用于整数分解等方面。而这类优化计算很难通过传统的冯诺依曼计算机去解决。
除了单个磁性斯格明子，该团队还发现相邻的磁性斯格明子之间，在其局部动力学行为中存在一定的反相关性。当一个磁性斯格明子处于大斯格明子态时，另外一个磁性斯格明子处在小斯格明子态的概率更高，而这种反相关性主要由退磁场所致。
（来源：王康）
此外，这种反相关性相互作用的大小，也可通过外加的垂直磁场和电流进行调控。上述性质使得由多个斯格明子所组成的斯格明子网格结构，具备更多的应用潜力。
（来源：Nature Communications）
比如，在两个相互作用的磁性斯格明子系统中，如能对每一个磁性斯格明子进行单独控制，那么斯格明子系统就能用于逻辑计算。其中，两个相互作用的磁性斯格明子系统，是最简单的斯格明子网格结构。而对于更高阶的斯格明子网格结构，则可通过调控钉扎中心的分布来构建，进而用于神经元网络计算和 Ising 计算中。
对于后续计划，王康表示他需要进一步明晰单个磁性斯格明子局部行为、以及多个磁性斯格明子耦合中存在的一些物理问题，并希望进一步完善基于斯格明子的真正随机数生成器。
其表示：“我们无法预见最终设备中的所有细节。但我们希望将其安置于一个小盒子（或小于 1x1mm2 的小芯片）中，并将其置于我们需要随机数的地方。此外，我们希望探索更多的磁性斯格明子的局部行为、以及多个斯格明子之间的相互作用，以用于更多自旋电子器件的制备。”
据介绍，王康是江苏省徐州市人。本科和博士均毕业于南京大学物理学院，师从吴小山教授。在国内时，其主要研究强关联电子体系中电子和声子在激光脉冲泵浦下的激发、弛豫和相互作用行为。
2017 年 10 月，王康来到布朗大学物理系该课题组进行交流访问，2019 年 6 月毕业至现在，继续在该课题组开展博后研究。
在布朗大学物理系，他开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动力学行为，并探索其在创新电子设备中的应用。另据悉，王康打算今年或明年回国，回来后继续从事科研工作。
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参考：
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
