Quantenschlüsselverteilung mit photonisch integrierten Chips
Verbundforschung will bislang große Hardware verkleinern, um Cybersicherheit für künftige Kommunikationsinfrastrukturen zu verbessern.
Sechs Mitglieder des Thüringer Photoniknetzwerks OptoNet haben sich in einem vom Freistaat Thüringen und der EU kofinanzierten dreijährigen Verbundvorhaben zusammengefunden, um kleine, für gängige Netzwerk-Hardware geeignete Module zu reduzierten Kosten zu entwickeln, die sich einfach an sicherheitsrelevanten Zielorten installieren lassen. Dazu werden auf einem einzigen Siliziumchip photonische und mikroelektronische Funktionen vereint: ein Polarisations-Analysemodul zur Messung der Quantenzustände der Photonen, Einzelphotonendetektoren zur hochempfindlichen Signalwandlung und Elektronik zur hochauflösenden Zeitstempelung und Auswertung der Detektionen.
Schon heute hat der Schutz sensibler Informationen vor Cyberbedrohungen höchste Priorität und erfordert immer neue und robustere Sicherheitsmaßnahmen, um Vertraulichkeit zu gewährleisten und unbefugten Zugriff zu verhindern. „Es ist abzusehen, dass Quantencomputer in den nächsten Jahren traditionelle Verschlüsselungsmethoden brechen können und damit die Sicherheit von Informationen gefährden“, erklärt Dr. Kevin Füchsel, Geschäftsführer der Quantum Optics Jena GmbH, die das Gesamtprojekt Photonisch integrierte Polarisationsanalyseeinheit mit Einzelphotonenprozessierung (PIC-PAM) leitet. Daneben sind AIM Micro Systems, X-FAB Global Services, das Fraunhofer IOF, die Universität Jena und das IMMS beteiligt.
Die auf Verschränkung basierende Quantenschlüsselverteilung gilt laut Füchsel als vielversprechende Technologie, um zukünftige Kommunikationsinfrastrukturen abzusichern: „Man kann kryptografische Schlüssel mit physikalisch garantierter Sicherheit erzeugen und verteilen und das unabhängig von der Rechenleistung eines Angreifers.“ Bei der Quantenkommunikation werden keine elektrischen Signale, sondern Photonen, also einzelne Lichtteilchen, übertragen, die in ihren quantenphysikalischen Zuständen verschränkt sind. Informationen werden über die Polarisation eines einzelnen Photons kodiert. Ein Abhören verändert wie jede andere Manipulation den Zustand der Photonen. Damit werden Angriffe messbar und gezielte Schutzmaßnahmen möglich. Für die Quantenschlüsselverteilung brauche es drei Komponenten, so Füchsel weiter: die Polarisationsanalyse, um den Zustand eines Photons zu erkennen, Einzelphotonendetektoren, um sicherzustellen, dass die einzelnen Lichtteilchen wirklich gemessen werden, und eine Zeitstempelung, um Sender und Empfänger zu synchronisieren und Rauschen herauszufiltern.
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Um all diese theoretischen Vorteile der Quantenschlüsselverteilung für eine breite Anwendung in den IT-Netzwerken der Zukunft praktisch umzusetzen, arbeiten die sechs Partner an einer miniaturisierten Technologieplattform. Dr. Andreas Fischer, Geschäftsführer der AIM Micro Systems GmbH, sagt: „Wir arbeiten auf eine hochintegrierte Lösung hin, die wie ein kleines SFP-Modul in Netzwerkgeräten leicht und modular eingesetzt werden kann.“ Dafür werden alle Partner Beiträge für kompaktere, standardisierte und industrietaugliche Komponenten beisteuern. Die Herausforderungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik lägen in der photonischen und elektrischen Anbindung an das Gesamtsystem, so Fischer weiter.
„Wir werden unsere Technologien speziell für die Quantenschlüsselverteilung weiterentwickeln und unsere CMOS-Prozesse zur Fertigung photonisch-integrierter Chips weiter anpassen“, erklärt X-FAB CEO Dr. Gabriel Kittler. Damit ließen sich künftig photonische und elektronische Komponentenschichten auf einem einzigen Wafer prozessieren. Das IMMS und das Fraunhofer IOF werden diese X-FAB Technologieplattform nutzen, um Teilsysteme für den gemeinsamen Chip zu entwickeln.
Das Fraunhofer IOF wird sämtliche Lösungen für die photonischen Siliziumnitrid-basierten Komponenten des Chips realisieren, wie die mikrooptischen Baugruppen, die Verarbeitung des Lichts in der Polarisationsanalyseeinheit samt Strahlteiler sowie die Koppler zur Verbindung von Photonik und Elektronik und zur Faserkopplung vom Chip nach außen. Die Testsetups zur Charakterisierung aller photonischen Baugruppen werden an der FSU Jena realisiert.
„Alles, was in der elektronischen Schicht des Chips passieren soll, werden wir am IMMS entwickeln und dabei so viele Funktionen wie möglich integrieren – die vielen Einzelkomponenten von heute sollen in den Chip von morgen“, erklärt Martin Eberhardt, Geschäftsführer des Instituts für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme IMMS. Ein Fokus läge auf SPAD-basierten Einzelphotonendetektoren, die wie die bisherigen diskreten Sensoren die hochempfindliche Signalwandlung übernehmen, aber direkt im Chip sitzen würden. Diese hochsensiblen Single-Photon-Avalanche-Photodioden werde man erstmals um die in PIC-PAM neu zu entwickelnde Zeitstempel-Elektronik erweitern. Spannend werde die Übertragung der bisherigen SPAD-basierten Lösungen des IMMS auf Quantenanwendungen mit integrierter Photonik gemeinsam mit dem Fraunhofer IOF, so Eberhardt weiter. [FhIOF / dre]
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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOFAlbert-Einstein-Str. 7
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