Photonischer Quantenchip für schnelle und zuverlässige Zufallszahlen

Im Rahmen des vom BMBF Projekts CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device – wird ein kompakter Chip entwickeln, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen auf Basis von quantenphotonischen Effekten generiert und den Anforderungen der Common Criteria für die Sicherheit von IT-Produkten entspricht. Der Chip soll Grundlage für zahlreiche Anwendungen der IT-Sicherheit werden. Das Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme in Dresden übernimmt im Projekt die Koordination und die QNRG-Chipintegration.

In der IT-Sicherheit sind Zufallszahlen von enormer Bedeutung, da sie für kryptografische Verfahren wie die Schlüsselerzeugung genutzt werden und so die Sicherheit von Daten in Bezug auf Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität gewährleisten. Quantum-Zufallszahlengeneratoren – kurz 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, da 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 fünf Gigabit pro Sekunde 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.“

Das Projekt zur Umsetzung des QRNG-Chips nutzt moderne Silizium-Germanium-Technologien zur Entwicklung elektrophotonischer integrierter Schaltungen, um eine vollintegrierte Lösung mit Laserquelle, Wellenleiterstrukturen, Photodioden und analoger/digitaler Signalverarbeitung zu entwickeln. Die QRNG-Lösung wird im Projekt in zwei Anwendungen der Quantum Key Distribution 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.

Fh.-IPMS / RK