Open Access

Eric Hildebrandt

• In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit sich quantenoptische Zufallsgeneratoren, bei denen die "Welcher-Weg-Entscheidung" einzelner Photonen am Strahlteiler bzw. Faserkoppler zur Zufallsgenerierung verwendet wird, zur Erzeugung von Zufallsbitströmen eignen. Es werden hierbei im wesentlichen vier verschiedene Varianten aufgebaut, die sich durch die eingesetzte Lichtquelle und die Realisierung des optischen Aufbaus unterscheiden, um zu erkennen, welche Detailprobleme sich beim Aufbau solcher Generatoren zeigen. Als Lichtquellen werden eine Einphotonenquelle auf Basis der parametrischen Fluoreszenz und eine Quelle, die stark abgeschwächte, gepulste Poisson-Lichtfelder abstrahlt, eingesetzt. Bei der optischen Realisierung wird jeweils einmal Freistrahl- und einmal Faseroptik für das Zufall generierende Element verwendet. Die Rohdaten-Bitströme der verschiedenen Varianten werden mit Hilfe von statistischen Verfahren untersucht, die für Tests von physikalischen Zufallsgeneratoren geeignet sind. In der Diskussion werden die verschiedenen Testverfahren hinsichtlich ihrer Eignung zum Aufdecken tieferliegender Defekte bewertet. Thermische Einflüsse auf die Rohdaten-Ströme werden dargelegt, Methoden zur Verringerung der Einflüsse angegeben und gezeigt, wie mit Hilfe von mathematischen Regularisierungsverfahren ideale Bitströme aus den Rohdaten erzeugt werden können. Anhand von (mehrstufigen) Autokorrelationskoeffiziententests werden die Auswirkungen von Problemen mit verschiedenen Datenaufnahme-Elektroniken auf die Rohdaten- Ströme analysiert. Die Ursachen der Probleme werden diskutiert, mögliche Lösungen, wie sich die Probleme stark verringern bzw. vermeiden lassen, werden vorgeschlagen und experimentell untersucht. Die Einflüsse der Eigenschaften der verwendeten Photonenquellen im Zusammenspiel mit den verwendeten optischen Komponenten und Detektoren werden analysiert und ihre Auswirkungen auf die Zufallsgenerierung diskutiert. Zur Erhöhung der Ausgangbitrate quantenoptischer Zufallsgeneratoren werden verschiedene Ausführungen von Mehrfachzufallsgeneratoren vorgeschlagen, insbesondere für den quantenoptischen Zufallsgenerator auf Basis der parametrischen Fluoreszenz. Als weitere, interessante Variante eines quantenoptischen Zufallsgenerators wird das theoretische Konzept für den "HOM-Generator" präsentiert, bei dem beide Photonen eines Photonenpaares bei einer gemeinsamen "Welcher-Weg-Entscheidung" zur Zufallsgenerierung verwendet werden. Die vorgeschlagenen Varianten quantenoptischer Zufallsgeneratoren werden hinsichtlich ihrer Eignung für einen praktischen Einsatz diskutiert und bewertet. Für den Dauereinsatz quantenoptischer Zufallsgeneratoren als Komponente in Sicherheitsinfrastrukturen, wie z.B. Trustcentern, werden Optimierungen, Möglichkeiten der Kostenreduzierung und weitere Aufbauvarianten vorgeschlagen. Die Optimierungen werden hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit diskutiert und gewertet. Mögliche Angriffe auf quantenoptische Zufallsgeneratoren werden diskutiert und zur Erkennung von Manipulationen an physikalischen Zufallsgeneratoren werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, um künstliche Signaturen einzufügen, sie vor Verwendung der Zufallsdaten zu verifizieren und aus dem Zufallsstrom zu entfernen.