Quantensichere Kommunikation Sichere optische Datenübertragung mit Licht und Quantenschlüssel

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

ALE Deutschland GmbH

Quatenschlüsselverteilungs-Ansätze in Kombination mit Post-Quantum-Kryptographie gilt als nicht knackbar. Doch die Kommunikation auf dem letzten Stück bspw. in Gebäuden erfolgt noch nach klassischen Verschlüsselungsansätzen. Hier sollen Licht und Quantenschlüssel helfen.

Sichere Kommunikation in geschlossenen Räumen setzt auf Quantenkommunikation. Dazu lassen sich Quantenschlüssel für eine kryptografische Absicherung über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen übertragen. Bisher kommen die Quantennetzwerke primär für die Verbindung von Gebäuden an verschiedenen Standorten über große Distanzen zum Einsatz. Künftig sollen innerhalb eines Gebäudes auch auf einzelne Geräte Quantenschlüssel senden können. Dazu notwendig sind lokale Quantenkommunikationsnetze oder kurz Q-LAN.

Mit Quantenkommunikation und Quantenverschlüsselung ist eine sichere und private Datenkommunikation möglich. Forscher wollen damit die klassischen Verschlüsselungsansätze auf rechnerischer Komplexität durch Quatenschlüsselverteilungs-Ansätze in Kombination mit Post-Quantum-Kryptographie ersetzen. Diese Art von Kodierung kann selbst mit beliebig viel Zeit und Rechenleistung nicht geknackt werden. Da die existierende Kryptographie bereits in naher Zukunft durch die immer größeren Rechenpower von Quantencomputer bedroht ist, müssen Lösungsansätze rechtzeitig entwickelt werden, um einer unsicheren Übergangszeit vorzubeugen.

Auf der letzten Meile ebenfalls quantenverschlüsselt

Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf eine sichere Datenkommunikation über weite Strecken für Anwendungen in der globalen Dateninfrastruktur, zur Vernetzung von behördlichen oder militärischen Einrichtungen oder zum Informationsaustausch mit Satelliten.

Die Verbindungen zum Endnutzer auf dem letzten Kilometer werden bislang jedoch noch immer mit den klassischen Technologien bedient und sind damit weiterhin angreifbar. Um das zukünftig zu verhindern, wurde das Projekt „QuINSiDa – Quantenbasierte Infrastruktur Netze für Sicherheitskritische drahtlose Datenkommunikation“ ins Leben gerufen. Das vom BMBF geförderte Projekt hat eine geplante Laufzeit vom 1. September 2022 bis 31. August 2025.

Li-Fi treibt die Quantenkryptographie an

Mit der Li-Fi-Technik können sich Nutzer über kurze Distanzen per optischen Signalen miteinander vernetzen. Im Vergleich zur bekannten Wi-Fi-Technik, die auf Funkwellen basiert, durchdringen die optischen Signale keine Wände und können so auf einen definierten Bereich ausgelegt werden.

Damit erlaubt Li-Fi die volle Ausnutzung der verfügbaren spektralen Datenbandbreite in diesem Bereich ohne Störungen von außen. Unabhängig davon wird die Technik der Quantenkryptographie weltweit vorangetrieben.

Im Speziellen geht es um die Quantenschlüsselverteilung, welche es ermöglicht, einen kryptographischen Schlüssel zu verteilen, dessen Sicherheit informationstheoretisch bewiesen werden kann. Dies steht in Kontrast zu bestehenden kryptographischen Verfahren, deren Sicherheit auf rechnerischer Komplexität beruht und durch aufkommende Quantencomputer gefährdet wird. Bei der Quantenschlüsselverteilung werden beim Erzeugen der Schlüssel Quantenzustände in Form von Licht präpariert und zwischen den Teilnehmern im Netzwerk ausgetauscht.

Kommunikationskanäle mit Quantenschlüsseln sichern

Beim Empfang der Quantenzustände werden diese gemessen und nachbearbeitet, so dass auf beiden Seiten identische, aber gegenüber einem Angreifer geheime Schlüssel entstehen. Das Vorhaben QuINSiDa kombiniert erstmals beide Technologien zu einem QKD-over-Li-Fi-System. Das ermöglicht es die bisher typischerweise eher im Gebäude-zu-Gebäude-Szenario angedachte QKD auch bis zum Endnutzer zu tragen.

„Intention des Projekts ist die Demonstration eines quantenbasierten Datenkommunikationsnetzwerks, welches drahtlos und flexibel mehrere Endnutzer an eine sichere Backbone-Infrastruktur anschließt oder welches separat als sicheres Campus-Netzwerk eingesetzt werden kann“, sagt Dr. Imran Khan, Managing Director bei KEEQuant. Dabei soll unter Nutzung eines flexiblen drahtlosen Datenkommunikationsnetzwerks im Punkt-zu-Multipunkt-Szenario eine gleichzeitige Absicherung der einzelnen Kommunikationskanäle auf Basis von Quantenschlüsseln gewährleistet werden.

Der Vorteil eines optischen Kommunikationsnetzes

Ein optisches Kommunikationsnetzwerk bietet im Gegensatz zu funkbasierten Ansätzen den Vorteil, dass jeder Teilnehmer, der sich im optisch drahtlosen Kommunikationskanal (Li-Fi-Kanal) anmeldet auch für den Quantenkanal sichtbar ist. Damit ist sichergestellt, dass es auch zu einem sicheren Schlüsselaustausch kommen kann.

Um den Li-Fi-Kanal und den Quantenkanal voneinander zu trennen werden dabei unterschiedliche Wellenlängen des Lichts verwendet. Diese Trennung lässt sich durch den Empfänger mittels einer entsprechenden optischen Filterung gegen Interferenzeinflüsse optimieren.

Das vorgestellte Konzept eines quantenbasierten Infrastrukturnetzes für sicherheitskritische, drahtlose Datenkommunikation ist ein völlig neuer interdisziplinärer Ansatz, der bisher weder in wissenschaftlichen Veröffentlichungen noch in aktuellen Marktlösungen vorgestellt wurde.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

(ID:49757892)