BMBF-Förderung für Fraunhofers Quantentechniker Kompakt und schnell: Photonischer Quantenchip von Fraunhofer

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Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) wird im Rahmen des vom Staat unterstützten Projekts CBQD ein photonischer Quantenchip entwickelt, der in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen für eine verbesserte Sicherheit in künftigen Kommunikationssystemen generiert.

Technologie- und Kommunikationsinnovatoren konzentrieren sich seit geraumer Zeit auf das Gebiet der Quantenkommunikation, die langfristig die kryptografisch verschlüsselte Kommunikation und ihre technischen Limitierungen ersetzen wird.

Dadurch, dass Informationen mittels bei Interferenzen leicht kollabierenden Photonen transportiert werden, gilt die Quantenkommunikation mit Blick auf Datendiebstahl als sehr sicher. Dafür müssen sich Forscher und Tüftler anderen Herausforderungen stellen.

Die größtmögliche Sicherheit der Quantenkommunikation basiert auf quantenmechanischen Phänomenen wie dem bereits erwähnten Zerfall von Atomen oder aber auf dem Photonen-Phasenrauschen von Laserquellen. Auf diese Weise werden unvorhersehbare und zufällige Daten erzeugt, die auf quantenmechanischen Prinzipien der Unbestimmtheit und Superposition basieren.

Genau diese Zufallszahlengenerierung macht die Quantenkommunikation sicher und attraktiv, vor allem für Bereiche des Lebens, in denen wichtige Daten gesichert übertragen werden müssen; etwa in Behörden, in Banken, beim Online-Kauf oder auch in der Handhabung medizinischer Daten.

Quantenchip von Fraunhofer IPMS

Beim Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Chip-basiertes Quantenzufalls-Device (CBQD) an einem kompakten Chip geforscht.

Auf Basis von quanten-photonischen Effekten generiert dieser Quantenchip in hoher Geschwindigkeit Zufallszahlen. „Im Projekt soll ein kompakter QRNG-Chip mit einer Rauschbitrate von 5 Gbit/s entwickelt werden. Die Rauschbitrate ist ein entscheidender Faktor für die Geschwindigkeit in der Zufallszahlenerzeugung“, erklärt Christoph Posenau, der Projektleiter am Fraunhofer IPMS in Dresden in der Pressemitteilung vom 11. Oktober 2023.

Kompakt und leistungsstark

Die Ingenieure wollen den Chip möglichst kompakt und platzsparend realisieren, gleichzeitig soll der photonische Quantenchip allerdings auch sehr schnell in der Zufallszahlengenerierung sein. Damit wollen die Mitarbeitenden vom IPMS und ihre Partner sicherstellen, dass der Chip die Anforderungen der Common Criteria AIS 20/31 PTG 3 erfüllt.

Diese Gemeinsamen Kriterien für die Sicherheitsbewertung von Informationstechnologie sind internationaler Standard für die Sicherheitseigenschaften von IT-Produkten und -Systemen, die auch vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) angelegt werden.

Das Projekt nutzt moderne Silizium-Germanium-Technologien zur Entwicklung elektrophotonischer integrierter Schaltungen, um eine voll integrierte Lösung mit Laserquelle, Wellenleiterstrukturen, Photodioden und analoger sowie digitaler Signalverarbeitung zu entwickeln. Die QRNG-Lösung wird im Projekt in zwei Anwendungen der Quantum Key Distribution (QKD) getestet, heißt es vom Fraunhofer IPMS. Das Team vom IPMS kooperiert für das Projekt CBQD mit seinen vier Partnern, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, der Leibniz-Universität Hannover (LUH), dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) und der Technischen Universität Darmstadt (TUDa) sowie mit dem assoziierten Partner Adva Network Security GmbH. (sb)

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