Fotoniczny kwantowy chip do szybkiego i niezawodnego generowania liczb losowych

W projekcie finansowanym przez BMBF CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device – zostanie opracowany kompaktowy układ, który w wysokiej prędkości generuje liczby losowe na podstawie efektów kwantowo-fotonowych i spełnia wymagania kryteriów wspólnych dla bezpieczeństwa produktów IT. / Projekt CBQD – Chip-based Quantum Random Device – będzie rozwijać kompaktowy układ, który generuje losowe liczby z dużą prędkością opierając się na efektach kwantowo-fotonowych.

Das BMBF wspiera projekt CBQD – Chip-basiertes Quantenzufalls-Device – w celu badań nad kwantowo bezpieczną komunikacją wysokiej prędkości. W ramach projektu CBQD zostanie opracowany kompaktowy chip, który w wysokiej szybkości generuje liczby losowe na podstawie efektów kwantowo-fotonowych i spełnia wymagania Common Criteria dotyczące bezpieczeństwa produktów IT. Chip ma stanowić podstawę dla licznych zastosowań w bezpieczeństwie IT. Fraunhofer IPMS przejmuje w projekcie koordynację i integrację chipu QNRG.

W bezpieczeństwie IT liczby losowe odgrywają ogromną rolę, ponieważ są wykorzystywane w kryptograficznych procedurach, takich jak generowanie kluczy, zapewniając bezpieczeństwo danych w zakresie poufności, integralności i autentyczności. Generator liczb losowych kwantowych (QRNG) wykorzystuje zjawiska kwantowe, takie jak rozpad atomów czy szum fazowy fotonów z laserów, do tworzenia nieprzewidywalnych i losowych danych, obiecując najwyższy poziom bezpieczeństwa, ponieważ wartości wyjściowe opierają się na zasadach nieoznaczoności i superpozycji kwantowej. Zapewniają one bezpieczną generację liczb losowych dla przyszłych systemów komunikacyjnych i mogą być wykorzystywane w różnych obszarach, takich jak urzędy, banki, infrastruktura krytyczna i Internet rzeczy.

„W ramach projektu zostanie opracowany kompaktowy chip QRNG z przepływem szumu 5 Gbit/s. Przepływ szumu jest kluczowym czynnikiem dla szybkości generowania liczb losowych”, wyjaśnia Christoph Posenau, kierownik projektu w Fraunhofer IPMS. „Celem jest połączenie wysokiej prędkości z kompaktową formą i jednoczesnym spełnieniem wymagań Common Criteria AIS 20/31 PTG.3, czyli standardu dotyczącego wymagań bezpieczeństwa dla produktów IT opracowanego przez Federalny Urząd Bezpieczeństwa Informacji (BSI).”

Projekt realizacji chipu QRNG wykorzystuje nowoczesne technologie krzemowo-germanowe do opracowania elektrofotonowych układów scalonych (EPIC), aby stworzyć w pełni zintegrowane rozwiązanie z laserem, strukturami falowodowymi, fotodiodami oraz analogową i cyfrową obróbką sygnałów. Rozwiązanie QRNG będzie testowane w projekcie w dwóch zastosowaniach kwantowej dystrybucji kluczy (QKD). Międzydyscyplinarny zespół projektowy wnosi szeroką wiedzę od teorii kwantowej, poprzez dowody bezpieczeństwa, doświadczenie w Security-by-Design dla RNG, fotonikę krzemową, aż po systemy QKD i ich integrację w zastosowaniach.

Przy opracowywaniu chipu Fraunhofer IPMS będzie współpracować z czterema partnerami i jednym partnerem stowarzyszonym:

– 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 (partner stowarzyszony)