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Photonischer Quantenchip für schnelle und zuverlässige Zufallszahlengenerierung

Forschungsgruppe Cryptoplexity der TU Darmstadt ist Teil des neuen BMBF-Projekts

07.11.2023 von

Das BMBF fördert das Projekt CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device – zur Forschung an quantensicherer Hochgeschwindigkeitskommunikation. Im Projekt CBQD wird ein kompakter Chip entwickeln, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen auf Basis von quanten-photonischen 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. Die Forschungsgruppe Cryptoplexity von Informatik-Professor Marc Fischlin an der TU Darmstadt ist Teil des neuen Projekts. Das Fraunhofer IPMS übernimmt im Projekt die Koordination und die QNRG-Chipintegration.

Im BMBF-geförderten Projekt CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device wird ein kompakter Chip entwickeln, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen auf Basis von quanten-photonischen Effekten generiert und den Anforderungen der Common Criteria für die Sicherheit von IT-Produkten entspricht.

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 (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 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 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 (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.

Bei der Entwicklung des Chips werden fünf Partner und ein assoziierter Partner zusammenarbeiten:

  • Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS; Projektkoordinator)
  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
  • Leibniz Universität Hannover (LUH)
  • Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP)
  • Technische Universität Darmstadt (TUDa)
  • Adva Network Security GmbH (assoziierter Partner)