Jena | 21. November 2023
Kompakter Quantenchip zur abhörsicheren Hochgeschwindigkeitskommunikation
Projekt CBQD will schnelle und zuverlässige Zufallszahlengenerierung mit neuem photonischem Quantenchip ermöglichen
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 5,24 Millionen Euro geförderte Projekt zur Entwicklung eines chip-basierten Quantenzufalls-Device CBQD widmet sich der Erforschung neuer Methoden für die quantensichere Hochgeschwindigkeitskommunikation. Im Rahmen des Projekts soll ein kompakter Quantenchip entwickelt werden, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen auf Basis von quanten-photonischen Effekten generiert. Der Chip soll dabei den Anforderungen der Common Criteria, also dem internationalen Standard zur Prüfung und Bewertung der Sicherheitseigenschaften von IT-Produkten, entsprechen und damit künftig Grundlage für zahlreiche Anwendungen in der IT-Sicherheit werden. Am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF soll der Chip in bereits bestehende Systeme zur Quantenschlüsselverteilung integriert und getestet werden.
Um sensible Daten vor Hacker-Angriffen zu schützen, verwenden kryptografische Verfahren sogenannte Zufallszahlen zur Erzeugung von Schlüsseln. Diese Zufallszahlen verhindern, dass potenzielle Angreifer allein durch das Erkennen spezieller Zahlenmuster die korrekten Zahlen für einen Schlüssel erraten können. In der Kryptografie hat die Qualität dieser Zufallszahlen einen direkten Einfluss auf die Sicherheit des Systems, denn sie bestimmt, wie schwierig es ist, unbefugt in das System einzudringen.
Die Forschung hat in den vergangenen Jahren bereits große Fortschritte in der Entwicklung neuer Technologien erzielt, mit denen sich solche echten, nicht vorhersagbaren Zufallszahlen erzeugen und verteilen lassen und somit eine hochsichere Verschlüsselung zu garantieren. Benötigt wird dafür eine Quelle echter Zufälligkeit, die schnell genug ist und von jedem Gerät verwendet werden kann. Und genau hier kommen die Quanten ins Spiel.
Quantum-Zufallszahlengeneratoren versprechen höchstmögliche Sicherheit
CBQD-Konsortium bestehend aus Forschenden und Vertretern der beteiligten Institute
Quantum-Zufallsgeneratoren (kurz: QRNGs) nutzen quantenmechanische Phänomene, wie etwa den Zerfall von Atomen der das Photonen-Phasenrauschen von Laserquellen, um unvorhersehbare und zufällige Daten zu erzeugen. Auf diese Weise versprechen sie höchstmögliche Sicherheit. Da sie auf den quantenmechanischen Prinzipien der Unbestimmtheit und sogenannten »Superposition« beruhen, bieten diese Quanten-Generatoren sichere Zufallszahlengenerierung für zukünftige Kommunikationssysteme.
Im Projekt CBQD (kurz für: »Chipbasiertes Quantenzufallsdevice«) soll nun ein kompakter, photonischer QRNG-Chip entwickelt werden. Dieser soll mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 Gigabit pro Sekunde arbeiten und auf diese Weise quantenverschlüsselte Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglichen. Zugleich soll der Chip dabei den Common Criteria für die Sicherheit von IT-Produkten des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik entsprechen. Das Projekt zur Umsetzung des QRNG-Chips nutzt moderne Silizium-Germanium-Technologien zur Entwicklung sogenannter elektrophotonischer integrierter Schaltungen (EPIC), um eine vollintegrierte Lösung mit Laserquelle, Wellenleiterstrukturen, Photodioden und analoger sowie digitaler Signalverarbeitung zu entwickeln.
Integration in hochdimensionale Quantenquellen am Fraunhofer IOF
Am Fraunhofer IOF soll dieser QRNG-Chip dann in bereits vorhandene Systeme zur Quantenschlüsselverteilung (englisch: Quantum Key Distribution, kurz: QKD) eingebaut werden. Konkret ist hierbei die Integration in eine Gigaherz getaktete, hochdimensionale Quelle vorgesehen, die besonders hohe Schlüsselraten ermöglichen. Mit diesen Systemen sorgen Forschende des Instituts für einen sicheren Transport der generierten Schlüssel an die potenziellen Sender und Empfänger. Der neu entwickelte QRNG erzeugt nachweislich sichere Schlüssel, welche dann überprüfbar abhörsicher über den Quantenschlüsselaustausch transportiert werden können.
Neben der praktisch abhörsicheren Verteilung verschlüsselter Daten, liegt eine weitere Anwendung des photonischen Quantenchips in der sicheren Nachbereitung eines bereits transportierten Schlüssels. Auch hier wird der Zufall zur Erhöhung der Sicherheit benötigt.
Die sehr hohen Zufallszahlenraten bei gleichzeitiger miniaturisierter und kompakter Bauform und Skalierbarkeit des QRNG-Chips eröffnen darüber hinaus ein breites Anwendungsfeld. Die möglichen Szenarien reichen von künftigen Systemen zur Quantenschlüsselverteilung beispielsweise mittels Satelliten oder Glasfaser, über die klassische Kryptographie bis hin zur hochsicheren Maschine-zu-Maschine-Kommunikation.
Über das CBQD-Projekt
Das CBQD-Projekt wird durch das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS koordiniert. Neben dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind drei weitere Partner sowie ein assoziierter Partner an dem Projekt beteiligt. Diese sind die Leibniz Universität Hannover (LUH), das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP), die Technische Universität Darmstadt (TUDa) sowie das Unternehmen Adva Network Security GmbH (assoziierter Partner).
Das Projekt ist mit einem Kickoff im Oktober 2023 gestartet und hat eine Laufzeit von drei Jahren. Das BMBF fördert das Projekt mit 5,24 Millionen Euro.