Aspekte der Quanten-Zufallszahlenerzeugung

• Antragsteller: Dr. Rene Schwonnek
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498116994

Zufallszahlen sind die zentrale Ressource fast aller, klassischen und quantenmechanischen, kryptographischen Primitiven. Daher sind verlässliche Quellen von Zufallszahlen von fundamentaler Bedeutung. Eine gute Zufallszahl hat hierbei die Anforderungen der ‚Unvorhersehbarkeit‘ und der ‚Vertraulichkeit‘ zu erfüllen. Eine Verletzung dieser Anforderungen stellt ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar, welches im schlimmsten Fall den Zusammenbruch einer ganzen kryptographischen Infrastruktur zur Folge haben kann. Diese Anforderungen zweifelsfrei sicherzustellen ist jedoch eine große Herausforderung. Im Gegensatz zu klassischen Ansätzen, ist es mit Hilfe der Quantenphysik möglich sowohl präzise mathematische Aussagen als auch praktisch überprüfbare Garantien über die Unvorhersehbarkeit und Vertraulichkeit einer Zufallszahl zu machen. Quanten basierte Zufallszahlengeneratoren (QRNGs) erlauben es uns daher, uns dieser Herausforderung zu stellen.Das Ziel dieses Projektes ist es eine neue Klasse von QRNG-Protokollen zu beschreiben, zu erforschen, und auch in einem Experiment zu implementieren. Hierbei wollen wir alle Schritte nehmen, die zur Demonstration einer neuen Technologie notwendig sind: (i) Wir werden ein allgemeines theoretisches ‚Framework‘ sowie neue mathematische Methoden bereitstellen. (ii) Wir werden existierende Protokolle analysieren und neue Protokolle entwickeln. (iii) Wir werden ein konkretes Protokoll in einem Experiment implementieren und eine vollständige Sicherheitsanalyse unter Beachtung von finite-size Effekte durchführen. Das finale Resultat hiervon wird eine Zufallszahlenquelle sein, für welche wir garantieren können, dass sie in weiteren kryptographischen Anwendungen integriert werden kann, ohne sie zu kompromittieren. Wir werden hierbei insbesondere, eine weite Klasse von Seitenkanälen berücksichtigen, welche in vielen bisherigen Implementationen Sicherheitsrisiken eröffnen. Alles in allem soll durch dieses Projekt demonstriert werden, dass sich die zentralen Features eines Quantenzufallszahlengenerators, unter einem minimalen Set von Annahmen, praktikabel und vollständig implementieren lassen. Das Projekt wird in der Arbeitsgruppe von Prof. Gühne an der Universität Siegen durchgeführt werden. Die experimentelle Demonstration wird durch die Arbeitsgruppe von Prof. Gerhardt an der Universität Hannover implementiert werden. Die Sicherheitsanalyse dieser Implementation wird in Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Prof. Renner an der ETH Zürich erfolgen.Meine Vision für dieses Projekt ist es zu demonstrieren, dass die vielen unsichtbaren Hürden und Hindernisse zwischen in der Theoretischer Physik denkbarem, experimentell realisierbarem, und in der Informationstheorie handhabbarem überwunden werden können, um erfolgreiche Schritte auf einem Weg hin zur Entwicklung und Erprobung neuer Technologien zu machen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle