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Abhörsicheres Quantennetzwerk Sichere Kommunikation mit Lichtteilchen

Von Bernhard Lück

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Quantencomputer bieten viele neue Möglichkeiten. Die Superrechner bedrohen aber auch die Sicherheit des Internets: Sie machen gängige Verschlüsselungsverfahren angreifbar. An der TU Darmstadt wurde nun ein abhörsicheres Kommunikationsnetzwerk entwickelt – auf Basis der Quantenschlüsselverteilung.

Teil der Photonenpaarquelle mit den leuchtenden Glasfasern des optischen Faserverstärkers.
Teil der Photonenpaarquelle mit den leuchtenden Glasfasern des optischen Faserverstärkers.
(Bild: TU Darmstadt / Erik Fitzke )

Das neue System diene dazu, symmetrische Schlüssel zwischen Parteien auszutauschen, um Botschaften anschließend unlesbar für Dritte verschlüsseln zu können. Den Forschenden um Physikprofessor Thomas Walther sei in Kooperation mit der Deutschen Telekom der Betrieb eines Quantennetzwerks gelungen, das in der Anzahl der Nutzenden skalierbar und gleichzeitig robust sei und ohne vertrauenswürdige Knoten auskommen könne. Mit solchen Systemen könnte in Zukunft kritische Infrastruktur vor der wachsenden Gefahr durch Cyberangriffe geschützt werden. Zudem könnten abhörsichere Verbindungen zwischen Behördenstandorten in größeren Städten entstehen.

Das System der Darmstädter Forscher ermögliche den so genannten Quantenschlüsselaustausch, der mehreren Parteien in einem sternförmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt. Dabei würden einzelne Lichtquanten, so genannte Photonen, an Nutzende in dem Kommunikationsnetzwerk verteilt, um aus ihnen die Zufallszahl und damit die digitalen Schlüssel zu berechnen. Aufgrund von quantenphysikalischen Effekten seien diese Schlüssel besonders sicher. So werde die Kommunikation besonders stark geschützt, außerdem könnten vorhandene Lauschangriffe entdeckt werden.

Bisher seien solche Quantenschlüsselverfahren technisch aufwendig und sensibel gegenüber äußeren Störeinflüssen. Das System der Darmstädter Gruppe aus dem Sonderforschungsbereich CROSSING beruhe auf einem speziellen Protokoll. Das System verteile Photonen aus einer zentralen Quelle an alle Nutzenden im Netzwerk und weise die Sicherheit der Quantenschlüssel durch den Effekt der sogenannten Quantenverschränkung nach. Dieser quantenphysikalische Effekt erzeuge Korrelationen zwischen zwei Lichtteilchen, die selbst dann erhalten blieben, wenn sie weit voneinander entfernt würden. Durch die Vermessung einer Eigenschaft des Lichtteilchens aus einem Paar könne so die Eigenschaft des Partnerteilchens vorhergesagt werden.

Häufig werde als Eigenschaft die Polarisation verwendet, die jedoch in den zur Übertragung verwendeten Glasfasern durch Umwelteinflüsse wie z.B. Vibrationen gestört werde. Das Darmstädter System hingegen nutze ein Protokoll, bei dem die Quanteninformation in der Phase und Ankunftszeit der Photonen kodiert werde und das deswegen besonders unempfindlich gegenüber solchen Störungen sei. Der Gruppe sei es nun zum ersten Mal gelungen, ein Netzwerk mittels dieses robusten Protokolls mit Quantenschlüsseln zu versorgen.

Die hohe Stabilität der Übertragung und die prinzipielle Skalierbarkeit sei in einem Feldversuch gemeinsam mit der Deutschen Telekom Technik GmbH erfolgreich demonstriert worden. Als nächsten Schritt planen die Forschenden der TU Darmstadt die Anbindung weiterer Gebäude in der Stadt an ihr System.

Die Publikation: Erik Fitzke, Lucas Bialowons, Till Dolejsky, Maximilian Tippmann, Oleg Nikiforov, Thomas Walther, Felix Wissel, and Matthias Gunkel: „Scalable network for simultaneous pairwise quantum key distribution via entanglement-based time-bin coding“, veröffentlicht im Journal PRX Quantum.

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