Laser aleatório: um estudo sobre sua aplicação em geração de números \"aleatórios\" binários e a caracterização de um aerogel de nanocelulose bacteriana

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Cruz, Marcelo da Silva
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Aerogel de nanocelulose bacteriana; Bacterial nanocellulose aerogel; Fotônica; Gerador de números aleatórios; Lasers aleatórios; Óptica; Optics; Photonics; Random lasers; Random number generator
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-27082025-094509/

Essa Dissertação de Mestrado tem por objetivo o estudo de um Gerador de Números Aleatórios baseado na captura de imagens da seção transversal da emissão de um Laser Aleatório, ou seja, são as variações de intensidade vindas da frente de onda que são interpretadas por um algoritmo que transforma os dados brutos em bits binários de 1s e 0s. De forma direta, os números binários gerados possuem uma pseudoaleatoriedade que foi constada pela utilização de média e/ou mediana no processo de criação de limiar na geração dos binários. O trabalho apresenta uma discussão acerca das aplicações de lasers e como sua descoberta possibilitou que a ciência avançasse ao estado da arte em diversos ramos, que permeiam a descoberta de um laser com características especiais como um funcionamento sem a necessidade de uma cavidade e de espelhos. Há uma seção de fundamentação teórica que abrange os conceitos da emissão espontânea, a emissão estimulada, o funcionamento de um laser de corante e sua complementação com um laser de 4 níveis eletrônicos, bem como o detalhamento de funcionamento de um Laser Aleatório operando nos regimes coerente e incoerente, além do livre caminho médio da luz em um meio espalhador. Nesse ínterim, há também uma discussão acerca dos procedimentos experimentais utilizados neste trabalho, no qual foi discutido o processo de aquisição das imagens com uma câmera. Dando prosseguimento, o estudo e a caracterização óptica do material foi abordada na seção de resultados e discussões, com imagens de microscopia eletrônica de varredura que mostram que as nanofibras possuem um diâmetro médio de aproximadamente 80 nm. A emissão de Laser Aleatório foi observada em um material denominado como Aerogel de Nanocelulose Bacteriana incorporado a Rodamina 6G, um corante com alta eficiência quântica de fluorescência e utilizado como meio de ganho, foi possível observar o comportamento típico com o afinamento de 5 vezes banda de emissão, saindo do regime de emissão espontânea, que é em torno de 40nm e indo para o regime de emissão estimulada, com um único pico incoerente de 5 nm e 6 nm. Foi encontrado também um limiar de energia (threshold) entre 0.40 mJ e 0.60 mJ para o conjunto de amostras analisado. O livre caminho médio encontrado foi de aproximadamente 700-800 nm, e o regime de espalhamento é difuso. Os números binários aleatórios passam em pelo menos 60% dos testes do NIST Statistical Test Suite NIST SP 800-22 v1. Porém, estão longe do critério mínimo exigido de 1% e os Valores-P não são distribuídos uniformemente. A ausência de aprovação em Transformada Discreta de Fourier, Entropia Aproximada, Testes Serial e Testes de Template sugere a existência de periodicidades residuais e a recorrência de padrões curtos, os quais são incompatíveis com um processo verdadeiramente aleatório. A contribuição mais significativa desta dissertação reside em demonstrar as limitações práticas e computacionais de um gerador de números \"aleatórios\" baseado em um Laser Aleatório. O estudo em questão demonstra que, apesar da entropia física bruta elevada, ela não se traduz em aleatoriedade verdadeira no contexto da criptografia segura sem um processamento robusto posterior. Sendo necessário a existência de um algoritmo, a aleatoriedade natural se perde.