Quantum Key Distribution in der Kommunikation Thüringer Konsortium entwickelt QKD-Chip für Netzwerkmodule

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Friedrich-Schiller-Universität Institut für Angewandte Physik

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Kentix GmbH

Sechs Forschungs- und Industriepartner aus Thüringen wollen Quantenschlüsselverteilung auf einen millimetergroßen Siliziumchip integrieren – und zwar kompakt genug für SFP-Module in gängiger Netzwerkhardware.

Das Vorhaben „Photonisch integrierte Polarisationsanalyse-Einheit mit Einzelphotonenprozessierung“ (PIC-PAM) wird über das Förderprogramm des Freistaats Thüringen zur Förderung von Forschung, Technologie und Innovation (FTI) gefördert und von der Europäischen Union kofinanziert. Die Laufzeit beträgt drei Jahre. Ziel ist ein monolithisch integrierter Chip, der alle Funktionseinheiten für die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution; kurz: QKD), Polarisationsanalyse, Einzelphotonendetektoren und Zeitstempel-Elektronik, auf einem einzigen Siliziumchip vereint.

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So ist der Chip aufgebaut

QKD auf Basis verschränkter Photonen gilt als Verfahren, das kryptografische Schlüssel physikalisch abgesichert erzeugt und verteilt, und zwar unabhängig von der Rechenleistung eines Angreifers. Informationen werden über die Polarisation einzelner Lichtteilchen kodiert. Jeder Abhörversuch verändert messbar den Quantenzustand der Photonen.

Heutige QKD-Systeme basieren auf umfangreichen opto-mechanischen Laboraufbauten. PIC-PAM soll diese Komponenten auf einem millimetergroßen Chip zusammenführen. Das Fraunhofer IOF übernimmt die photonischen Komponenten auf Basis von Siliziumnitrid: Polarisationsanalyse-Einheit, Strahlteiler sowie Koppler zur Faser- und Chip-Anbindung.

Das IMMS entwickelt die elektronische Schicht, darunter Single-Photon-Avalanche-Photodioden (SPADs) als Einzelphotonendetektoren sowie eine neu zu entwickelnde Zeitstempel-Elektronik (Time-Tagging-ASIC). X-FAB passt seine CMOS-Prozesse an, um photonische und elektronische Schichten gemeinsam auf einem Wafer zu fertigen.

Das Zielformat: Ein SFP-ähnliches Netzwerkmodul

Der fertige Chip soll von der Aim Micro Systems GmbH in ein kompaktes Modul nach Small-Form-Factor-Pluggable-Bauform (SFP; zu Deutsch: Steckmodul mit kleinem Formfaktor) integriert werden: Hierbei handelt es sich um ein weit verbreitetes Steckkartenformat im Rechenzentrums- und Netzwerkumfeld. Es verbindet Netzwerkgeräte wie Switches oder Router mit Glasfaser- oder Kupferverbindungen und übernimmt die Signalwandlung zwischen Geräten und Übertragungsmedium.

Quantum Optics Jena entwickelt zudem eine Photonenquelle, die mit den SPAD-Detektoren kompatibel ist, und baut den Gesamtdemonstrator des Projekts auf.

Das sind die Beteiligten

Beteiligt daran sind die Quantum Optics Jena als Konsortialführer, die Aim Micro Systems, die X-Fab Global Services, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), das Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und das Imms Institut für Mikroelektrik- und Mechatronik-Systeme.

Hintergrund des Projekts: Cyber-Resilienz

Der Hintergrund des Projekts ist der Angriff von Quantencomputer auf klassische asymmetrische Verschlüsselung. Neben QKD verfolgt die Industrie auch Post-Quanten-Kryptografie (PQC) als Gegenmaßnahme. Bei der PQC handelt es sich um einen rein softwarebasierten Ansatz, der keine Photonik erfordert. Beide Ansätze schließen sich nicht aus, aber sie dienen zur Verhinderung von unterschiedlichen Bedrohungsmodellen und Infrastrukturanforderungen.

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Konkrete Angaben zu Übertragungsreichweiten, erzielbaren Schlüsselraten oder Interoperabilität mit bestehenden Netzwerkkomponenten enthält die Projektankündigung nicht. Ebenso fehlen Informationen zu Kosten und Zertifizierungsanforderungen: Doch beides ist entscheidend für eine spätere Marktfähigkeit in regulierten Umgebungen wie Rechenzentren oder Behördennetzen.

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