de.wedoany.com-Bericht: Sechs Forschungs- und Industriepartner aus Thüringen haben ein neues Projekt gestartet, das darauf abzielt, ein System zur Quantenschlüsselverteilung (QKD) auf einen millimetergroßen Silizium-Chip zu integrieren, der kompakt genug für den Einsatz in SFP-Modulen gängiger Netzwerkhardware ist.
Das Projekt mit dem Namen „Photonisch integrierte Polarisationsanalyseeinheit mit Einzelphotonenverarbeitung“ (PIC-PAM) wird durch das Thüringer Forschungs-, Technologie- und Innovationsförderprogramm (FTI) gefördert und von der Europäischen Union kofinanziert. Die Projektlaufzeit beträgt drei Jahre. Kern des gesamten Projekts ist die Entwicklung eines monolithisch integrierbaren Siliziumchips, der alle für die Quantenschlüsselverteilung erforderlichen Funktionseinheiten – Polarisationsanalyse, Einzelphotonendetektoren und Zeitstempel-Elektronik – vereint.
Auf verschränkten Photonen basierende QKD gilt als physikalisch sichere Methode zur Erzeugung und Verteilung von Verschlüsselungsschlüsseln. Informationen werden über den Polarisationszustand einzelner Photonen kodiert; jeder Abhörversuch würde den Quantenzustand der Photonen nachweisbar verändern. Aktuelle QKD-Systeme sind auf sperrige optomechanische Laboraufbauten angewiesen. Das PIC-PAM-Projekt zielt darauf ab, diese Komponenten auf einen millimetergroßen Chip zu komprimieren. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) entwickelt die photonischen Komponenten auf Basis von Siliziumnitrid, darunter die Polarisationsanalyseeinheit, Strahlteiler sowie optische Koppler für die Verbindung zwischen Faser und Chip. Das Institut für Mikroelektronik und Mechatronik-Systeme (IMMS) entwickelt die elektronische Schicht, die Einzelphotonen-Lawinenphotodioden (SPAD) als Einzelphotonendetektoren sowie eine neu entwickelte Zeitstempel-Elektronik (Time-Tagging ASIC) umfasst. X-FAB Global Services GmbH wird seinen CMOS-Prozess anpassen, um photonische und elektronische Schichten gemeinsam auf demselben Wafer herstellen zu können.
Der finale Chip wird von der AIM Micro Systems GmbH in kompakte Module im Small-Form-Factor-Pluggable (SFP)-Gehäuse integriert. SFP ist ein in Rechenzentren und Netzwerkumgebungen weit verbreitetes Steckkartenformat zum Anschluss von Netzwerkgeräten wie Switches oder Routern an Glasfaser- oder Kupferkabel und übernimmt die Signalumwandlung zwischen Gerät und Übertragungsmedium. Als Konsortialführer entwickelt die Quantum Optics Jena GmbH zudem eine mit den SPAD-Detektoren kompatible Photonenquelle und baut das Gesamtdemonstrationssystem des Projekts auf.
Der Hintergrund des Projekts liegt in der Bedrohung, die Quantencomputer für die traditionelle asymmetrische Verschlüsselung darstellen. Neben QKD treibt die Industrie auch die Post-Quanten-Kryptographie (PQC) als Gegenmaßnahme voran. PQC ist ein rein softwarebasierter Ansatz, der keine Photonik erfordert. Beide technologischen Ansätze schließen sich nicht gegenseitig aus, adressieren jedoch unterschiedliche Bedrohungsmodelle und Infrastrukturanforderungen. Die Projektankündigung enthält keine konkreten Angaben zu Übertragungsdistanzen, erreichbaren Schlüsselraten oder der Interoperabilität mit bestehenden Netzwerkkomponenten. Ebenso fehlen in der Ankündigung Informationen zu Kosten und Zertifizierungsanforderungen, die für die zukünftige Marktfähigkeit in regulierten Umgebungen wie Rechenzentren oder Regierungsnetzwerken entscheidend sind.
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