Neuer Quantenchip erkennt Fehler bei der Zufallszahlengenerierung

Das vom Forschungsteam unter der Leitung aus der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der National University of Singapore entwickelte Verfahren könnte die Sicherheit in Sektoren bis hin zur künstlichen Intelligenz und vernetzten Geräten stärken.

Hardware-Vertrauen entferntDie meisten Quanten-Zahlengeneratoren arbeiten nach dem „trusted-device model" bezeichneten Ansatz. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass Komponenten wie Laser, Modulatoren und Detektoren über ihre gesamte Lebensdauer ihren Spezifikationen entsprechen.

Der neue Chip hingegen nutzt ein measurement-device-independent-Protokoll. Dies bedeutet, dass Benutzer lediglich den Quantenlichtsignalen vertrauen müssen, die in das System eintreten, nicht jedoch dem Detektor, der diese misst.

Technik und Auswirkungen

Während des Betriebs erzeugt der Chip bekannte Quantenzustände des Lichts und vergleicht die Detektorantworten mit den Vorhersagen der Quantentheorie. Wenn die Ergebnisse den Erwartungen entsprechen, wandelt das System die Daten in zertifizierte Zufallszahlen um.

Andernfalls wird der Prozess automatisch gestoppt. „Die Messeinheit in Quanten-Zufallszahlengeneratoren war traditionell sehr schwer zu charakterisieren, was eine Garantie der Zuverlässigkeit in der Praxis erschwert hat.

Unsere Lösung beseitigt die Notwendigkeit, während des Betriebs zu vertrauen, dass diese Einheit wie spezifiziert funktioniert", sagte Associate Professor Charles Lim.

Technik und Auswirkungen

Das Gerät integriert sowohl den Signalencoder als auch den optischen Detektor auf einem einzigen Siliziumchip, der mit einem acht-Zoll-Wafer-Prozess hergestellt wird, der in der Halbleiterproduktion üblich ist. Im Gegensatz zu einigen Quantentechnologien funktioniert es bei Raumtemperatur und benötigt keine kryogene Kühlung.

Die Forscher haben zudem eine Herausforderung bei siliziumbasierten Lichtmodulatoren angegangen: Die Anpassung der Lichtphase kann unbeabsichtigt die Helligkeit verändern und damit die Sicherheit beeinträchtigen. Das Team entwickelte eine Steuermethode, die diesen Effekt kompensiert und stabile optische Signale gewährleistet.

Sicherheit vor Geschwindigkeit: Der Detektor des Chips erreichte eine Gesamteffizienz von 69,1 Prozent und übertrifft damit die Mindestanforderung des Protokolls von 67 Prozent. Die Tests zeigten zudem, dass das System mehr zertifizierte Zufallsbits erzeugt, als es als Eingangs-Saat benötigt, was bestätigt, dass es frische Zufälligkeit produziert.

Technik und Auswirkungen

Die Forscher beschreiben das Gerät als den bisher sichersten nachgewiesenen Quanten-Zufallszahlengenerator-Chip. Die Sicherheitsanalyse geht, in dem ein Angreifer Quantenkorrelationen mit dem Detektor selbst besitzen könnte. Dieses Maß an Sicherheit geht mit einem Kompromiss einher.

Das derzeitige experimentelle System erzeugt 64 Bit pro Sekunde, was deutlich langsamer ist als konventionelle Quanten-Zufallszahlengeneratoren, die Raten von über 100 Gigabit pro Sekunde erreichen können. Das Team geht davon aus, dass sich die Leistung durch verbesserte Detektortechnologie erheblich steigern lässt.

Labor-Photodioden, die, haben bereits eine Effizienz von 92,4 Prozent erreicht, und Simulationen deuten darauf hin, dass zukünftige Versionen des Chips Datenraten von 68 Megabit pro Sekunde erzielen könnten. „Dieser Chip ebnet den Weg für die Integration praktischer selbsttestender Quanten-Zufallszahlengeneratoren in kompakte, sichere Systeme", fügte Associate Professor Lim hinzu.

Die Studie wurde in der Zeitschrift PRX Quantum veröffentlicht.