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Photonischer Quantenchip

Schnelle und zuverlässige Zufallszahlen

12. Oktober 2023, 6:30 Uhr | Heinz Arnold

Das Fraunhofer IPMS koordiniert die Entwicklung eines Chips, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen auf Basis von quanten-photonischen Effekten generiert.

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Der Chip wird im Rahmen des Projekts CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device – zur Forschung an quantensicherer Hochgeschwindigkeitskommunikation entstehen und soll die Grundlage für zahlreiche Anwendungen der IT-Sicherheit werden.

Das Fraunhofer IPMS übernimmt im Projekt die QNRG-Chipintegration. Quantum-Zufallszahlengeneratoren (QRNGs) nutzen quantenmechanische Phänomene wie den Zerfall von Atomen oder das Photonen-Phasenrauschen von Laserquellen, um unvorhersehbare und zufällige Daten zu erzeugen und versprechen höchstmögliche Sicherheit, weil die Ausgabewerte auf den quantenmechanischen Prinzipien der Unbestimmtheit und Superposition beruhen. Sie bieten sichere Zufallszahlengenerierung für zukünftige Kommunikationssysteme und können in verschiedenen Bereichen wie Behörden, Banken, kritischer Infrastruktur und im Internet der Dinge eingesetzt werden.

»Im Projekt soll ein kompakter QRNG-Chip mit einer Rauschbitrate von 5 Gbit/s entwickelt werden. Die Rauschbitrate ist ein entscheidender Faktor für die Geschwindigkeit in der Zufallszahlenerzeugung«, erklärt Christoph Posenau, Projektleiter am Fraunhofer IPMS. »Ziel ist es, hohe Geschwindigkeit mit einer kompakten Bauform zu kombinieren und gleichzeitig den Anforderungen der Common Criteria AIS 20/31 PTG.3 zu entsprechen, einem Standard für Sicherheitsanforderungen an IT-Produkte des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).«

Das Projekt zur Umsetzung des QRNG-Chips nutzt moderne Silizium-Germanium-Technologien zur Entwicklung elektrophotonischer integrierter Schaltungen (EPIC), um einen vollintegrierten Chip mit Laserquelle, Wellenleiterstrukturen, Photodioden und analoger/digitaler Signalverarbeitung zu entwickeln. Der QRNG-Chip wird im Projekt in zwei Anwendungen der Quantum Key Distribution (QKD) getestet. Das interdisziplinäre Projektteam bringt umfassende Expertise von Quantentheorie über Sicherheitsbeweise, Security-by-Design-Erfahrung für RNGs, Siliziumphotonik bis hin zu QKD-Systemen und deren Integration in Anwendungen mit.

In der IT-Sicherheit sind Zufallszahlen von enormer Bedeutung, weil sie für kryptografische Verfahren wie die Schlüsselerzeugung genutzt werden und so die Sicherheit von Daten in Bezug auf Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität gewährleisten.

Bei der Entwicklung des Chips im Rahmend des vom BMBF geförderten Projekts CBQD wird das Fraunhofer IPMS mit vier Partnern und einem assoziierten Partner zusammenarbeiten: