Schluss mit abhörbarer Kommunikation

Das Glasfasernetz transportiert zuverlässig enorme Datenmengen mit Lichtsignalen, aber stößt in Sachen Sicherheit und Abhörschutz an technische Grenzen. Ein Quantennetz geht hier einen entscheidenden Schritt weiter: Es nutzt die Gesetze der Quantenphysik, um Informationen grundsätzlich vor unbemerktem Zugriff zu schützen. Einsatz könnten Quantennetze bei Regierungen, Behörden, im Gesundheits- und im Finanzwesen finden.

Quantennetze könnten dauerhaft für Sicherheit im Datenverkehr sorgen. Ein Großteil der heutigen Kommunikation ist gefährdet: Sich weiterentwickelnde, leistungsfähige Quantencomputer stellen schon heute eine Bedrohung dar. Derzeitig gesendete Daten können gespeichert und in Zukunft dekodiert werden. Ergänzend zu terrestrischen Netzwerken könnten Satelliten helfen größere Entfernungen zu überbrücken, aber sie sind kostenintensiv und abhängig von Tageslicht und Wetter.

Ein neues Verbundprojekt arbeitet nun an einer sicheren und effizienten Lösung. Das Ziel: Die Etablierung vernetzter, lokaler Quantendomänen, die über weite Strecken einen sicheren Datenverkehr ermöglichen. Beteiligt an dem Vorhaben ist Guido Dietl, Inhaber der Professur für Informatik (Satellite Communication and Radar Systems) an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Gefördert wird das Teilvorhaben mit mehr als 580.000 Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).

Eine langfristige Lösung für den sicheren Datenverkehr

Die Ausgangslage: Ein Großteil des heutigen Datenverkehrs ist über aktuelle kryptografische Verfahren gesichert. „Quantencomputer entwickeln sich mit einer rasanten Geschwindigkeit weiter und sind zusammen mit den bereits existierenden Quantenalgorithmen für genau jene gefährlich“, so Dietl. Momentan fehle nur ein Quantencomputer mit genügend Leistung, der die Algorithmen ausführen könne. Langfristig müsse also eine andere Lösung her: Verfahren, die auf Quantenmechanik und Post-Quanten-Kryptografie (PQK) beruhen.

Manche Telekommunikationsunternehmen nutzen bereits (PQK), um den Datenverkehr vor Quantencomputern zu schützen. Zwar sind diese Verfahren standardisiert aber noch nicht besonders weit verbreitet. Die Alternative ist die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD): „Dieses Verfahren macht ein Netz abhörsicher und erkennt Abhörversuche in der Domäne“, erklärt der JMU-Informatiker.

Das Problem bei dieser Verschlüsselung liegt momentan in der Reichweite des Signals, die nur wenige hundert Kilometer beträgt. Zusätzliche vertrauenswürdige Knotenpunkte helfen zwar, weite Strecken zu überbrücken, machen das Netz jedoch anfällig für Angriffe. „Die sogenannte Twin-Field-QKD könnte die Reichweite ohne vertrauenswürdige Knotenpunkte vergrößern“, so Dietl.

Fokus auf Domänenübergänge

Das Würzburger Teilvorhaben entwickelt Strategien, wie sich neue Verfahren zur sicheren Schlüsselverteilung, wie die Twin-Field-QKD oder auf Satelliten basierende Lösungen, zur Verbindung von Quantendomänen verwenden lassen. „Ein Schwerpunkt liegt darauf, wie der quantengesicherte Übergang von einer Domäne, also von einem lokal begrenzten Netzgebiet, in eine andere aussehen könnte“, erklärt der Würzburger Professor.

Der JMU-Informatiker arbeitet zudem an einem geeigneten Post-Processing-Verfahren für das Probesystem: Dabei geht es vor allem darum, Fehler im Twin-Field-QKD zu erkennen und zu korrigieren. Abschließend soll in Würzburg zusammen mit dem Softwareunternehmen Infosim, das vor über 20 Jahren als Spin-Off der JMU gestartet ist, und den anderen Verbundpartnern die Demonstration einer QKD-Domäne mit zwei Knoten erfolgen.