Photonische Quantenchip für schnelle und zuverlässige Zufallszahlengenerierung

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. / Project CBQD – Chip-based Quantum Random Device – zal een compacte chip ontwikkelen die op hoge snelheid willekeurige getallen genereert op basis van kwantum-fotonische effecten.

Het BMBF ondersteunt het project CBQD – Chip-gebaseerd Kwantumwillekeurigheidsapparaat – voor onderzoek naar kwantumveilige hoge-snelheid communicatie. In het CBQD-project wordt een compacte chip ontwikkeld die op hoge snelheid willekeurige getallen genereert op basis van kwantum-fotonische effecten en voldoet aan de eisen van de Common Criteria voor de veiligheid van IT-producten. De chip moet de basis vormen voor talrijke toepassingen in IT-beveiliging. Het Fraunhofer IPMS neemt in het project de coördinatie en de integratie van de QNRG-chip op zich.

In de IT-beveiliging zijn willekeurige getallen van groot belang, omdat ze worden gebruikt voor cryptografische procedures zoals sleutelsgeneratie en zo de veiligheid van gegevens met betrekking tot vertrouwelijkheid, integriteit en authenticiteit waarborgen. Quantum-willekeurigheidsgenerators (QRNG's) maken gebruik van kwantummechanische fenomenen zoals de verval van atomen of het fotonen-fasenruis van laserbronnen om onvoorspelbare en willekeurige gegevens te genereren en beloven de hoogste veiligheid, omdat de uitvoerwaarden gebaseerd zijn op de kwantummechanische principes van onbepaaldheid en superpositie. Ze bieden veilige willekeurige getalgeneratie voor toekomstige communicatiesystemen en kunnen worden ingezet in verschillende gebieden zoals overheden, banken, kritieke infrastructuur en het Internet der Dingen.

»In het project wordt een compacte QRNG-chip ontwikkeld met een ruisbitrate van 5 Gbit/s. De ruisbitrate is een bepalende factor voor de snelheid van de willekeurige getalgeneratie», legt Christoph Posenau uit, projectleider bij het Fraunhofer IPMS. »Het doel is om hoge snelheid te combineren met een compacte vorm en tegelijkertijd te voldoen aan de eisen van de Common Criteria AIS 20/31 PTG.3, een standaard voor beveiligingsvereisten voor IT-producten van het Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).«

Het project voor de realisatie van de QRNG-chip maakt gebruik van moderne silicium-germanium-technologieën om elektrophotonische geïntegreerde schakelingen (EPIC) te ontwikkelen, met als doel een volledig geïntegreerde oplossing met laserbron, golfgeleiderstructuren, fotodiodes en analoog/digitale signaalverwerking. De QRNG-oplossing wordt in het project getest in twee toepassingen van Quantum Key Distribution (QKD). Het interdisciplinaire projectteam brengt uitgebreide expertise mee van kwantumtheorie tot veiligheidsbewijzen, security-by-design-ervaring voor RNG's, siliciumfotonica tot QKD-systemen en hun integratie in toepassingen.

Bij de ontwikkeling van de chip zal het Fraunhofer IPMS samenwerken met vier partners en een geassocieerde partner:

– 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 (geassocieerde partner)