Quanten-Zufall aus dem Bildsensor

Quanten-Zufallszahlengeneratoren

SPAD QRNG#

Quanten-Zufallszahlengeneratoren mit SPAD-basierten Sensoren für eine sichere Verschlüsselung

SPAD Sensor Funktionsweise
© Fraunhofer IMS
Aus den Quanteninformationen von Photonen können Zufallszahlen erzeugt werden.
SPAD Sensor im Größenvergleich
© Fraunhofer IMS
SPAD-basierte Sensoren bieten optimale Eigenschaften für den Einsatz in QRNG-Systemen
SPAD Sensor in Aktion
© Fraunhofer IMS
Die Zufallszahlen werden mit hoher Geschwindigkeit extrahiert und auf ihre Güte überprüft.

Verschiedenste Anwendungen benötigen Zufallszahlen, um beispielsweise einen einzigartigen digitalen Schlüssel zu erzeugen, einen Lottogewinner auszulosen oder in einer Simulation zufällige Parameter einfließen zu lassen. Besonders das Feld der Kryptographie und Quantenkommunikation erlangt dabei im Zuge der rapiden Digitalisierung eine besondere Relevanz und treibt die Entwicklung von Hardwarekomponenten an, die eine zuverlässige und abhörsichere Verschlüsselung ermöglichen.

In der Vergangenheit boten algorithmisch generierte Zufallszahlen (auch: Pseudo-Zufallszahlen) häufig eine ausreichende Güte und Sicherheit im Angesicht der Leistungsfähigkeit der Hardware potentieller Angreifer. Bei ausreichender Leistungsfähigkeit oder Kenntnis der Algorithmik bilden diese Zufallszahlengeneratoren (RNG – Random Number Generator) jedoch eine Schwachstelle und möglichen Angriffspunkt. RNGs, die auf physikalische Prozesse wie thermisches Rauschen oder im verspielten Falle auf Würfel oder Lottokugeln beruhen, scheinen häufig ausreichend zufällig, sind allerdings bei Kenntnis aller Startparameter und Umgebungsbedingungen ebenso deterministisch.

Eine Quelle für wahre Zufälligkeit bieten Quantenphänomene, für die es von Natur aus unmöglich ist eine Vorhersage zu treffen. Viele Forschungsarbeiten legen daher einen Fokus auf Quanten-Zufallszahlengeneratoren (Quantum RNG – QRNG). Während manche QRNG auf radioaktiven Zerfall oder elektronische Effekte basieren, bilden photonische Systeme hier die aussichtsreichsten Kandidaten. Photonen unterliegen einer Statistik, die eine intrinsische Zufälligkeit und Unberechenbarkeit beschreibt und durch geschickte Einzelphotonendetektion extrahiert werden kann.

Die Sensoren des Fraunhofer IMS basieren auf Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPAD – Single-Photon Avalanche Diode) und können Photonen mit hoher Orts- und Zeitauflösung detektieren. Durch die Integration in die CMOS-Technologie können die SPADs direkt an eine an die Anwendung angepasste Ausleseschaltung angeschlossen werden. Diese SPAD Sensoren bieten eine optimale Grundlage für einen QRNG, der die Photonenstatistik extrahiert und wahre, unvorhersehbare Zufallszahlen ausgibt. Diese Zufallszahlen können mit hoher Zuverlässigkeit erzeugt werden und bestehen alle gängigen Tests auf Zufälligkeit. Der Einsatz optischer Sensoren zur Erzeugung von Zufallszahlen hat sich bereits in kommerziellen Systemen bewährt und verspricht neben einem kleinen Formfaktor eine hohe Datenrate. Das Fraunhofer IMS besitzt mit Kompetenzen im analogen und digitalen Schaltungsdesign, einer rauscharmen SPAD als Sensorbauelement und der in-Haus 0,35 µm CMOS-Technologie eine ideale Basis für die Erforschung dieser Anwendung.

Weitere aktuelle Forschungsarbeiten zielen auf technologische Entwicklungen und die Realisierung eines zuverlässigen und angriffssicheren Gesamtsystems ab, um mit SPAD-basierten QRNG hohe Mengen wahrer Zufallszahlen für sicherheitsrelevante Anwendungen bereitstellen und verarbeiten zu können.

 

Das Fraunhofer IMS ist an potentiellen Anwendungen und interessierten Partnern für diese Technologie interessiert. Sprechen Sie uns gerne an!

 

 

Ansprechpartner

Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

Michael Bollerott

Telefon: +49 203 3783-227

Michael.Bollerott@ims.fraunhofer.de

 

Presse

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Über das Fraunhofer IMS

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg ist eine weltweit anerkannte anwendungsorientierte Forschungseinrichtung für die Entwicklung marktfähiger Technologien und Verfahren in den Bereichen der Mikroelektronik und Sensorik. Insbesondere in den Schlüsselbereichen »Health, Industry, Mobility, Space and Security« arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler intensiv und interdisziplinär an der Entwicklung zukunftsrelevanter Lösungen für Industrie, Dienstleistungssektor und Gesellschaft – seit über 30 Jahren.

Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft. Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 75 Institute und Forschungseinrichtungen. Rund 29 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,8 Milliarden Euro. Davon fallen 2,4 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung.

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