Ein Teil der Steuerelektronik für den Zufallszahlengenerator sei zwar noch nicht integriert, aber alle laseroptischen Bausteine seien bereits an Bord, sagt Erstautor des in der Zeitschrift The Optical Society Optics Express veröffentlichten Artikels Francesco Raffaelli. „Dieses Gerät allein zu benutzen oder es in andere tragbare Geräte zu integrieren wäre in Zukunft sehr nützlich, um unsere Informationen sicher zu machen und unsere Privatsphäre besser zu schützen“, so Raffealli weiter. Zufallszahlengeneratoren kommen bei der Datenverschlüsselung zum Einsatz, die bei digitalen Transaktionen wie dem Online-Kauf von Produkten oder dem Versand einer sicheren E-Mail übertragen werden. Die aktuellen Zufallszahlengeneratoren basieren auf Computeralgorithmen, die Daten anfällig machen können, wenn Hacker den verwendeten Algorithmus herausfinden.

Zufallszahlengenerator; Der Chip zur quantenbasierten Erzeugung von Zufallszahlen für die Echtzeitverschlüsselung ist lediglich 1 mm² groß (rechts unten im Bild) und kann Generierungsraten von nahezu 2,8 GBit/s erreichen

Der Chip zur quantenbasierten Erzeugung von Zufallszahlen für die Echtzeitverschlüsselung ist lediglich 1 mm² groß (rechts unten im Bild) und kann Generierungsraten von nahezu 2,8 GBit/s erreichen. Francesco Raffaelli, Bristol University

Im Artikel „A SOI Integrated Quantum Random Number Generator Based on Phase Fluctuations from a Laser Diode“ berichten die Forscher über einen Quanten-Zufallszahlengenerator, der auf zufällig emittierten Photonen eines Diodenlasers basiert. Da die Photoemission von Natur aus zufällig geschieht, ist es damit unmöglich, die zu erzeugenden Zahlen vorherzusagen. Im Vergleich zu anderen kürzlich vorgestellten, integrierten Quanten-Zufallszahlengeneratoren könne diese Technologie hohe Erzeugungsraten bei relativ geringen optischen Leistungen erreichen. Durch den geringen Energieverbrauch besteht für den Chip auch nicht die Gefahr der allzu hohen Wärmeerzeugung bei hohen Geschwindigkeiten.

Zufallszahlengenerator nutzt Silizium-Photonik

Ermöglicht wurde der Chip durch Weiterentwicklungen in der Silizium-Photonik-Technologie, die herkömmliche Chipfertigungstechniken zur Erzeugung optischer Komponenten in Silizium verwendet. Dadurch wurde die Erzeugung von Wellenleitern in Silizium möglich, die Licht durch den Chip leiten können, ohne dabei Energie zu verlieren. Diese Hohlleiter lassen sich auf einem IC mit elektronischen Komponenten und Detektoren integrieren, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten, um die Lichtsignale in Informationen umzuwandeln.
Der chipbasierte Zufallszahlengenerator nutzt die Tatsache, dass ein Laser unter bestimmten Bedingungen zufällig Photonen emittiert. Diese werden interferometrisch in optische Leistung gewandelt, die von den integrierten Photodetektoren erfasst und in eine Spannung gewandelt wird. Diese erzeugte Spannung ist die Grundlage für die Generierung der Zufallszahlen. Trotz der Fortschritte in der Silizium-Photonik gehe im Inneren des Chips laut Raffaelli noch immer zu viel Licht verloren, was dazu führe, dass nur wenig Licht letztlich an die Detektoren gelangt. Hier war es notwenig, alle Parameter genau zu optimieren und besonders rauscharme Elektronik zu entwickeln, um das optische Signal zu erkennen.

Der nur einen Quadratmillimeter große Chip bringt nicht nur Vorteile bei der Portabilität, sondern ist auch stabil als gleichwertige Geräte in Bulk-Optik. Der Grund dafür ist, dass Interferometer sehr empfindlich auf Umgebungsbedingungen wie Temperatur reagieren und es sich einfacher gestaltet, die Temperatur bei einem kleinen Chip unter Kontrolle zu halten. Tests des in einer Foundry produzierten ICs ergaben eine Rate für die Zufallszahlengenerierung von nahe 2,8 GBit/s, womit sich der Chip für die Echtzeit-Verschlüsselung eignen würde.