de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Nationalen Universität Singapur (NUS) haben einen Chip für einen Quanten-Zufallszahlengenerator (QRNG) entwickelt, der aktiv die Integrität seiner eigenen Hardware testen kann – ein Novum, das über die Abhängigkeit von Herstellerzertifizierungen hinausgeht. Die Ergebnisse wurden am 5. Juni in PRX Quantum veröffentlicht.
Jeder Verschlüsselungsschlüssel und jede sichere Transaktion ist auf unvorhersagbare Zufallszahlen angewiesen, doch bisher erforderten alle Zufallszahlengeneratoren, dass der Benutzer der zugrunde liegenden Hardware vertraut, dass sie nicht kompromittiert wird. Mit der Entwicklung des Quantencomputings könnte dies eine entscheidende Schwachstelle darstellen. Das von Associate Professor Charles Lim von der Fakultät für Design und Ingenieurwesen geleitete NUS-Team hat einen Chip entwickelt, der seine eigene Messhardware in Echtzeit verifizieren kann und selbst gegenüber Angreifern mit Quantencomputing-Fähigkeiten Sicherheit bietet.
Die Detektoreffizienz des Chips beträgt 69,1 %, die aktuelle Datenrate liegt bei 64 Bit pro Sekunde – deutlich unter der Datenrate von über 100 Gigabit pro Sekunde herkömmlicher vertrauenswürdiger QRNG-Geräte. Das Team erwartet jedoch, durch bereits entwickelte verbesserte Fotodioden eine Steigerung um fünf Größenordnungen auf 68 Megabit pro Sekunde zu erreichen, was sein Integrationspotenzial in Sicherheitssystemen verschiedener Bereiche festigen würde. Diese Innovation behebt eine seit langem bestehende Schwachstelle aller Zufallszahlengeneratoren (sowohl klassischer als auch quantenbasierter): Die Vertrauenswürdigkeit der Messhardware wurde bisher angenommen, nicht verifiziert. Im Gegensatz zu früheren Designs verwendet dieser QRNG ein messgeräteunabhängiges (MDI) Protokoll, das die Vertrauenslast von den Detektoren selbst auf die eingehenden optischen Signale verlagert. Der Chip präpariert bekannte Quantenlichtzustände, misst sie mit integrierten Detektoren und vergleicht die Ausgabe mit theoretischen Vorhersagen – im Wesentlichen eine Selbstkalibrierung bei jedem Vorgang. Weicht die Detektorleistung von den Erwartungen ab, stoppt das System und verhindert die Freigabe potenziell kompromittierter Zufallszahlen.
Der Chip wird in einem Standard-200-mm-Wafer-Prozess hergestellt und arbeitet bei Raumtemperatur. Die Gesamteffizienz der integrierten Detektoren beträgt 69,1 % und liegt damit über dem Mindestschwellenwert des Protokolls von 67 %. Der Chip erreicht die höchste nachgewiesene Sicherheit auf Chipebene, selbst gegenüber potenziellen Angreifern mit Quantenausrüstung – eine Bedrohung, der klassische Tests nicht gewachsen sind.
„Die Messeinheiten in Quanten-Zufallszahlengeneratoren waren traditionell schwer zu charakterisieren, was ihre tatsächliche Zuverlässigkeit schwer garantierbar machte", sagte Associate Professor Lim. „Unsere Lösung beseitigt die Notwendigkeit, während des Betriebs darauf zu vertrauen, dass diese Einheit wie vorgesehen funktioniert."
Die Zusammenarbeit mit Squareroot8 Technologies, einem von der NUS ausgegründeten Quantenkommunikationsunternehmen, war sowohl für das Protokolldesign als auch für die anschließende Sicherheitszertifizierung von entscheidender Bedeutung und unterstreicht einen direkten Weg von der akademischen Forschung zur kommerziellen Anwendung. Associate Professor Lim erklärte, dass der Chip den Weg für die Integration praktischer selbsttestender Quanten-Zufallszahlengeneratoren in kompakte, sichere Systeme ebnet.
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