近日，美國布朗大學物理系博后研究員王康博士和肖鋼教授團隊使用微小的磁性“漩渦”制備真隨機數生成器，可用于生成對密碼學和概率計算有用的真隨機數。據介紹，王康利用單個磁性“斯格明子”（Skyrmion）的局域波動行為產生隨機數，每秒內可生成多達 1000 萬位。

圖 | 王康（來源：王康）

2 月 7 日，相關論文以《基于單個斯格明子局域動力學的真隨機數生成器和斯格明子之間相互作用的研究》（Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions）為題發表在 Nature Communications 上。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

隨機數（random number）指的是統計上隨機生成的數字。生成隨機數的方法有很多，并被統稱為隨機數生成器。而真正“純天然”的隨機數，恰恰存在于日常物理現象中：比如擲錢幣、骰子、核裂變，這些現象中產生的數字可謂絕對隨機，因此也被稱為物理性隨機數生成器。除此之外，人們也可使用計算機來生成隨機數。

隨機數到底有多重要？在網絡安全、游戲以及科學模擬中，它都是不可或缺的。以網絡安全為例，只有使用不可預測的數字，才能讓數據傳輸得以安全進行。如果生成的數字不是隨機的，不法分子或從相關信息中找到數字生成規律，這時未經授權的組織或可在數據傳輸和存儲期間去訪問數據，進而危害網絡安全。

盡管計算機能產生隨機數，但它們并不是嚴格意義上的隨機數。在計算機中，讓算法根據起始位置生成隨機數。但由于算法是確定的，因此這些數字并不是真正的隨機數。只需獲得相關算法信息，就能在生成的數字中找到規律、也即獲得偽隨機數。不過，在數據安全的相關應用程序里，還需使用外部無法猜到的隨機數序列，而這種數字才是真正的隨機數。

為了產生真正的隨機數，學界通常會從自然世界獲得靈感。比如，真隨機數生成器的模擬一般會基于具有真正隨機性質的固有熱噪聲、或光電效應的物理源。例如，流經電阻器的電流的隨機波動均可用于生成隨機數。

真正隨機數生成器的硬件，必須具備低能耗、高速度這兩大特點。而自旋電子系統正是制備該硬件的一個理想系統。

作為一種準粒子，磁性斯格明子具備拓撲保護性，有望用于構建真隨機數生成器。斯格明子的概念最早由英國物理學家托尼·斯凱爾姆（Tony Skyrme）在粒子物理中提出，而后這一概念擴展到不同領域，包括磁性材料領域。磁性斯格明子的直徑通常約為 1 微米甚至更小，行為表現就像一種粒子，可從材料一側運動到另一側。

超薄材料中磁性斯格明子是一簇電子自旋合集所產生的拓撲磁結構。這里的自旋也可被認為是每個電子的微小磁矩，在位置上它指向上下或介于兩者之間。一些二維材料在處于最低能量狀態下，具有垂直磁各異性的特征，這意味著電子自旋均指向垂直于薄膜的方向。

當這些材料被電流或磁場激發時，一些電子自旋會根據系統能量的增加，而出現隨機翻轉的情況。這種情況發生時，周圍電子的自旋會受到擾動，借此形成一個圍繞翻轉電子的磁漩渦、即磁性斯格明子。

走了一條從未有人走過的路

磁性斯格明子具有高效的可控性和穩定性，故可作為相關數據存儲、邏輯計算以及神經網絡計算器件的有效載體。在研發這些應用時，通過自旋流、或微觀熱擾動進行操作，以及對磁結構電學性質的測量具有重要意義。

目前，學界對磁性斯格明子的研究和電學表征，仍限于靜態表征。比如，測量磁性斯格明子產生的異常霍爾電壓，以及測量磁性斯格明子拓撲霍爾的信號等。此前，在磁性斯格明子對各種擾動的動態響應上，依然鮮少有人研究。

具體探索方向上，則包括磁性斯格明子的動態響應到底該如何影響電學輸運特性，以及相互作用、拓撲性和各種擾動在磁性斯格明子動態響應中所起到的作用。王康指出，要想設計和開發磁結構動態響應、以及相關自旋電子器件，就得清楚了解上述問題。

有時科研很像造房子，如果說上面的步驟好比“畫圖紙”，下面就要按圖“造房子”也就是建設測量平臺。

在這一步，王康要對磁性斯格明子在自旋流和熱擾動下所產生的電學噪聲進行測量。噪聲測量可用于表征凝聚態物質狀態的特性，包括磁結構在自旋流和熱擾動下的動態響應。基于這一目標，他和肖鋼教授等人把自主搭建的磁光克爾效應顯微鏡與電學噪聲測量系統相結合，以便對磁性斯格明子的動態行為做以直接照相、并對相應電學輸運特性進行測量。

在自旋流和熱擾動下，磁材料中的缺陷所引起的釘扎效應、會影響磁結構的動態響應。磁結構中的釘扎效應，可由多種方式產生。釘扎中心的產生原理在于，磁各向異性和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用會發生局部變化。王康使用一種在材料的原子晶格中產生細微缺陷的技術，來引入斯格明子的局部行為。

（來源：Nature Communications）

當材料中形成斯格明子時，釘扎中心將磁性斯格明子固定在適當的位置，而不是讓它們像往常一樣移動。當一個斯格明子被固定在適當的位置時，它們的大小會隨機波動。斯格明子的一部分緊緊地固定在一個釘扎中心上，其余部分來回跳躍，圍繞著兩個附近的釘扎中心，一個更近、一個更遠，從而產生隨機電報噪聲，進而可用于真正隨機數的產生。

（來源：王康）

基于單個磁性斯格明子的局域波動行為，王康對其做了更詳細的測量與表征，具體包括數碼產生的隨機性、以及外加垂直磁場和電流對單個斯格明子局部行為的調控。

（來源：Nature Communications）

而要將磁性斯格明子真正應用到器件中，還需提升電學信號在“0”和“1”態的信噪比，以及提升隨機數碼的產生速率。在不同溫度和不同釘扎效應下，通過進一步實驗和微磁學模擬研究，他們發現，信噪比可通過減小霍爾轉換器的尺寸、升高溫度、以及減小兩個弱釘扎中心之間間距得以實現。在材料制備中，通過優化釘扎中心的分布，可讓基于單個磁性斯格明子的真正隨機數碼產生器，每秒產生多達 1000 萬個隨機數字。

可用于邏輯計算、神經元網絡計算等領域

概括來說，單個磁性斯格明子的局部行為，可用于構建真正隨機數碼生成器。如之前所說，在網絡數據安全、游戲和科學模擬中，真正隨機數碼產生器的作用至關重要。

該研究表明，基于單個磁性斯格明子的真正隨機數碼產生器所產生的字符串，處于“0”和“1”態的概率可通過外加垂直磁場和自旋流來進行有效調控。這使得單個磁性斯格明子可被作為一個隨機元（stochastic neuron），并可用于隨機計算和神經網絡計算等多個方面，比如用于整數分解等方面。而這類優化計算很難通過傳統的馮諾依曼計算機去解決。

除了單個磁性斯格明子，該團隊還發現相鄰的磁性斯格明子之間，在其局部動力學行為中存在一定的反相關性。當一個磁性斯格明子處于大斯格明子態時，另外一個磁性斯格明子處在小斯格明子態的概率更高，而這種反相關性主要由退磁場所致。

（來源：王康）

此外，這種反相關性相互作用的大小，也可通過外加的垂直磁場和電流進行調控。上述性質使得由多個斯格明子所組成的斯格明子網格結構，具備更多的應用潛力。

（來源：Nature Communications）

比如，在兩個相互作用的磁性斯格明子系統中，如能對每一個磁性斯格明子進行單獨控制，那么斯格明子系統就能用于邏輯計算。其中，兩個相互作用的磁性斯格明子系統，是最簡單的斯格明子網格結構。而對于更高階的斯格明子網格結構，則可通過調控釘扎中心的分布來構建，進而用于神經元網絡計算和 Ising 計算中。

對于后續計劃，王康表示他需要進一步明晰單個磁性斯格明子局部行為、以及多個磁性斯格明子耦合中存在的一些物理問題，并希望進一步完善基于斯格明子的真正隨機數生成器。

其表示：“我們無法預見最終設備中的所有細節。但我們希望將其安置于一個小盒子（或小于 1x1mm2 的小芯片）中，并將其置于我們需要隨機數的地方。此外，我們希望探索更多的磁性斯格明子的局部行為、以及多個斯格明子之間的相互作用，以用于更多自旋電子器件的制備。”

據介紹，王康是江蘇省徐州市人。本科和博士均畢業于南京大學物理學院，師從吳小山教授。在國內時，其主要研究強關聯電子體系中電子和聲子在激光脈沖泵浦下的激發、弛豫和相互作用行為。

2017 年 10 月，王康來到布朗大學物理系該課題組進行交流訪問，2019 年 6 月畢業至現在，繼續在該課題組開展博后研究。

在布朗大學物理系，他開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動力學行為，并探索其在創新電子設備中的應用。另據悉，王康打算今年或明年回國，回來后繼續從事科研工作。

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參考：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