Chipbasierter Quantenzufallsgenerator
In der modernen Kryptographie und IT-Sicherheit spielen Zufallszahlen eine entscheidende Rolle, denn sie werden zur Erzeugung sicherer kryptografischer Schlüssel benötigt. Klassische Verfahren, um diese Zufallszahlen zu generieren, beruhen jedoch auf vorhersagbaren Prozessen und können daher unter gewissen Umständen geknackt werden. In diesem Zusammenhang bieten Quantenzufallsgeneratoren (engl.: Quantum Random Number Generators, QRNGs) eine unübertroffen hohe Sicherheit, da quantenphysikalische Prozesse naturgemäß nicht vorhersagbar sind. Deshalb lassen sich durch QRNGs echte Zufallszahlen extrem hoher Güte erzeugen. Bei der prinzipiell abhörsicheren Methode des sogenannten Quantenschlüsselaustauschs (engl.: Quantum Key Distribution, QKD) werden zwei Parteien gemeinsame Zufallszahlen in Form von Quanteneigenschaften des Lichts zur Verfügung gestellt, aus denen sich ein geheimer Schlüssel errechnen lässt. Geeignete Zufallszahlengeneratoren müssen jedoch im Vergleich zur klassischen Kryptographie sehr hohen Anforderungen bezüglich Sicherheit und Geschwindigkeit genügen. Für den skalierbaren und praxistauglichen Einsatz müssen die Zahlen darüber hinaus kompakt und zertifizierbar sein.
Ziel des Projektes „Chipbasiertes Quantenzufallsdevice“ (CBQD) ist es, einen kompakten, monolithischen, vollintegriert aufgebauten QRNG-Chip zu erforschen und zu entwickeln. Hierbei strebt das Konsortium sehr hohe Generierungsraten von Zufallszahlen und nach Projektabschluss eine Zertifizierung des QRNG an. Für die Umsetzung des QRNG-Chips sollen moderne Siliziumphotoniktechnologien einschließlich vollintegrierter Laserquelle, passiver Wellenleiterstrukturen, Photodioden und integrierter analoger und digitaler Signalverarbeitung genutzt werden. Die QRNG-Lösung soll im Anschluss in realen QKD-Anwendungen ausgiebig getestet werden. Die dafür notwendige umfassende Expertise, die von der Quantentheorie über Sicherheitsbeweise, praktische Security-by-Design-Erfahrung, Siliziumphotonik bis hin zu QKD-Systemen reicht, wird durch ein starkes, interdisziplinäres Projektteam bestehend aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen und einem assoziierten Industriepartner abgebildet.
Die anvisierte QRNG-Lösung kann aufgrund der sehr hohen Zufallszahlenraten bei gleichzeitig miniaturisierter und kompakter Bauform und Skalierbarkeit große Verwertungspotenziale im Bereich der IT-Sicherheit und der sicheren verschlüsselten Kommunikation erlangen. Die möglichen Anwendungsszenarien reichen von künftigen Systemen zur Quantenschlüsselverteilung beispielsweise mittels Satelliten oder Glasfaser, über die klassische Kryptographie bis hin zur hochsicheren Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Mit Blick auf die technologische Souveränität bei Hochsicherheitsanwendungen ist eine geplante Herstellung eines QRNG ausschließlich in Deutschland von besonderem Wert.