Fotonicový kvantový čip pro rychlou a spolehlivou generaci náhodných čísel

V projektu podporovaném BMBF CBQD – Čipové kvantové náhodné zařízení – bude vyvinut kompaktní čip, který bude generovat náhodná čísla vysokou rychlostí na základě kvantově-fotonických efektů a splní požadavky Common Criteria na bezpečnost IT produktů. / Projekt CBQD – Čipové kvantové náhodné zařízení – vyvine kompaktní čip, který generuje náhodná čísla vysokou rychlostí na základě kvantově-fotonických efektů.

Ministerstvo školství a výzkumu Německa (BMBF) podporuje projekt CBQD – Čipově založené kvantové náhodné zařízení – pro výzkum kvantově zabezpečené vysokorychlostní komunikace. V rámci projektu CBQD bude vyvinut kompaktní čip, který bude generovat náhodná čísla vysokou rychlostí na základě kvantově fotonických efektů a splní požadavky normy Common Criteria pro bezpečnost IT produktů. Čip má být základem pro řadu aplikací v oblasti IT bezpečnosti. Fraunhofer IPMS v projektu zajišťuje koordinaci a integraci čipu QNRG.

V oblasti IT bezpečnosti jsou náhodná čísla nesmírně důležitá, protože se používají pro kryptografické metody, například při generování klíčů, a tím zajišťují bezpečnost dat z hlediska důvěrnosti, integrity a autenticity. Kvantové generátory náhodných čísel (QRNG) využívají kvantově mechanické jevy, jako je rozpad atomů nebo fotonové fázové šumění laserových zdrojů, k vytváření nepředvídatelných a náhodných dat a slibují nejvyšší možnou úroveň bezpečnosti, protože výstupní hodnoty jsou založeny na kvantově mechanických principech neurčitosti a superpozice. Nabízejí bezpečnou generaci náhodných čísel pro budoucí komunikační systémy a mohou být využity v různých oblastech, jako jsou úřady, banky, kritická infrastruktura a internet věcí.

„V rámci projektu bude vyvinut kompaktní QRNG čip s šumovou přenosovou rychlostí 5 Gbit/s. Šumová rychlost je klíčovým faktorem pro rychlost generování náhodných čísel,“ vysvětluje Christoph Posenau, vedoucí projektu ve Fraunhofer IPMS. „Cílem je kombinovat vysokou rychlost s kompaktní velikostí a současně splnit požadavky normy Common Criteria AIS 20/31 PTG.3, což je standard pro bezpečnostní požadavky na IT produkty Spolkového úřadu pro bezpečnost informací (BSI).“

Projekt na realizaci QRNG čipu využívá moderní technologie křemíku a germánia k vývoji elektrofotonických integrovaných obvodů (EPIC), aby vyvinul plně integrované řešení s laserovým zdrojem, strukturami vlnovodů, fotodiodami a analogově/digitální zpracování signálu. Řešení QRNG bude v rámci projektu testováno ve dvou aplikacích kvantové distribuce klíčů (QKD). Interdisciplinární tým projektu přináší komplexní odborné znalosti od kvantové teorie přes bezpečnostní důkazy, zkušenosti s bezpečností od návrhu RNG, přes silikonovou fotoniku až po systémy QKD a jejich integraci do aplikací.

Při vývoji čipu bude Fraunhofer IPMS spolupracovat se čtyřmi partnery a jedním přidruženým partnerem:

– Fraunhofer Institut pro aplikovanou optiku a mikrotechniku IOF
– Leibnizova univerzita Hannover (LUH)
– Leibnizův institut pro inovativní mikroelektroniku (IHP)
– Technická univerzita Darmstadt (TUDa)
– Adva Network Security GmbH (přidružený partner)