اقترح علماء فئة جديدة من المواد يمكن أن تسرع مولدات الأرقام العشوائية المستخدمة في التشفير وحماية المعاملات الإلكترونية آلاف المرات، مما قد يمهد الطريق أمام تطوير شرائح أمان أسرع وأكثر موثوقية.
وأجرى الدراسة باحثون من جامعة رايس الأمريكية بالتعاون مع جامعة جنوب شرق الصين، ونشرت نتائجها في مجلة Physical Review Letters.
مادة تتفاعل فيها الخصائص الكهربائية والمغناطيسية
تسمى المواد الجديدة الأوتفيرويك، وهي فئة من المواد تتفاعل فيها الخصائص الكهربائية والمغناطيسية بطريقة متبادلة.
فالحالة الكهربائية للمادة تؤثر في حالتها المغناطيسية، ما يسمح بتبديل العنصر المغناطيسي عبر مرحلة كهربائية وسيطة بدلا من تبديله بشكل مباشر.
ووفقا للباحثين، يمكن لهذه الآلية خفض حاجز الطاقة اللازم لعملية التبديل بنحو الثلثين تقريبا، مع الحفاظ على قوة الإشارة.
لماذا تحتاج شرائح الأمان إلى أرقام عشوائية؟
تعتمد حماية المدفوعات عبر الإنترنت والرسائل المشفرة على سلاسل طويلة من الأرقام التي يصعب التنبؤ بها.
وتنتج هذه الأرقام باستخدام مولدات عشوائية تعتمد على ظواهر فيزيائية حقيقية.
لكن عندما تكون عملية توليد الأرقام بطيئة جدا أو تكون الإشارة الناتجة ضعيفة، يمكن أن يتباطأ النظام أو تزداد احتمالية تعرضه لهجمات تستهدف آليات الحماية.
وتعتمد بعض أجهزة الأمان الحالية على التقلبات الحرارية داخل مفاتيح مغناطيسية لتوليد الأرقام العشوائية.
وتكمن المشكلة في أن عمليات التبديل هذه بطيئة نسبيا، بينما تؤدي محاولة تسريعها إلى إضعاف الإشارة، ما قد يزيد أخطاء القراءة.
أكثر من 400 ألف عملية تبديل في الثانية
أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون أن خفض حاجز الطاقة يمكن أن يرفع سرعة التبديل من أقل من 100 مرة في الثانية إلى أكثر من 400 ألف مرة في الثانية.
وبحسب النموذج، يمكن لهذه السرعة إنتاج أكثر من مليون بت عشوائي في الثانية، أي أكثر من مليون قيمة من الصفر والواحد المستخدمين في العمليات الرقمية والتشفير.
كما يمكن لمجال كهربائي ثابت تسريع العملية بشكل أكبر، مع الحفاظ على توازن الإشارات.
وهذا يعني أن عدد الأصفار والواحدات الناتجة يبقى متقاربا، ما يساعد في الحفاظ على عشوائية الأرقام من دون انحياز واضح نحو إحدى القيمتين.
أربعة حالات مستقرة بدلا من حالتين
تتميز المادة المقترحة بخاصية أخرى قد تكون مهمة في تصميم الشرائح.
فبدلا من وجود حالتين مستقرتين فقط، كما في النظام التقليدي الذي يعتمد على الصفر والواحد، يمكن للمادة أن توجد في أربع حالات مستقرة متساوية.
وهذا يعني أن مكونا واحدا يمكنه تنفيذ وظائف كانت تتطلب في الأنظمة التقليدية عدة ترانزستورات.
وقد يساعد هذا الأمر في تطوير شرائح أكثر كفاءة من حيث استهلاك الطاقة وأكثر كثافة من حيث تخزين ومعالجة المعلومات.
نتائج المحاكاة تحتاج إلى اختبار عملي
لا تزال النتائج الحالية مبنية على نماذج حاسوبية لمادة ثنائية الأبعاد هي سيلينيد التيتانيوم والجرمانيوم.
ويحذر الباحثون من أن العيوب البنيوية الموجودة في الأجهزة الحقيقية قد تؤدي إلى إبطاء عمليات التبديل مقارنة بالنتائج التي أظهرتها المحاكاة.
ومع ذلك، يرى الباحثون أن الدراسة توفر أساسا يمكن للمهندسين الاستناد إليه عند تطوير جيل جديد من شرائح التشفير والأنظمة الحاسوبية الموفرة للطاقة.
