Daten verschlüsseln im Quantennetzwerk

Quantenrechner erfordern neue Systeme der Datenverschlüsselung. Daran arbeitet ein Team des Instituts für Angewandte Physik der TU Darmstadt. (Symbolfoto: dpa)

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DARMSTADT - (red). Quantencomputer bieten viele neuartige Möglichkeiten, bedrohen aber auch die Sicherheit des Internets. Denn die Superrechner machen gängige Verschlüsselungsverfahren angreifbar, heißt es in einer Mitteilung der TU Darmstadt. Auf Grundlage der sogenannten Quantenschlüsselverteilung haben Forschende der TU aus dem Institut für Angewandte Physik ein neuartiges, abhörsicheres Kommunikationsnetzwerk entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden jetzt im renommierten Journal „PRX Quantum“ vorgestellt.

Das neue System dient dazu, symmetrische Schlüssel zwischen Parteien auszutauschen, um Botschaften anschließend unlesbar für Dritte verschlüsseln zu können. Den Forschenden um Physik-Professor Thomas Walther gelang in Kooperation mit der Deutschen Telekom der Betrieb eines Quanten-Netzwerks, das in der Anzahl der Nutzenden skalierbar und gleichzeitig robust ist sowie ohne vertrauenswürdige Knoten auskommen kann, erläutert die TU.

Mit solchen Systemen könnte in Zukunft kritische Infrastruktur vor der wachsenden Gefahr durch Cyber-Angriffe geschützt werden. Zudem könnten abhörsichere Verbindungen zwischen Behördenstandorten in größeren Städten entstehen, heißt es. Das System der Darmstädter Forschenden ermögliche den sogenannten Quantenschlüsselaustausch, der mehreren Parteien in einem sternförmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt. Dabei werden einzelne Licht-Quanten, sogenannte Photonen, an die Nutzer im Kommunikationsnetzwerk verteilt, um aus ihnen die Zufallszahl und damit die digitalen Schlüssel zu berechnen. Aufgrund von quantenphysikalischen Effekten sind diese Schlüssel nach Angaben des Forscherteams besonders sicher. Dabei werde nicht nur die Kommunikation besonders stark geschützt, außerdem könnten auch Lauschangriffe entdeckt werden.

Bisher sind solche Quantenschlüssel-Verfahren technisch aufwendig und sensibel gegenüber äußeren Störeinflüssen, heißt es in der Mitteilung der TU. Das Darmstädter System hingegen nutze ein Protokoll, das besonders unempfindlich gegenüber Störungen ist. Der Gruppe sei es nun zum ersten Mal gelungen, ein Netzwerk aus Nutzern 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.

Sichere Kommuni­kation mit Licht­teilchen

Sichere Kommuni­kation mit Licht­teilchen

Ein Quantennetzwerk, das in der Anzahl der Nutzenden skalierbar und gleichzeitig robust ist sowie ohne vertrauenswürdige Knoten auskommen kann, demonstrierten Forschende um Professor Thomas Walther von der TU Darmstadt in Kooperation mit der Deutschen Telekom. Mit solchen Systemen könnten in Zukunft kritische Infrastrukturen vor der wachsenden Gefahr durch Cyber-Angriffe geschützt werden. Zudem könnten abhörsichere Verbindungen zwischen Behördenstandorten in größeren Städten entstehen.

Das System ermöglicht den Quantenschlüsselaustausch, der mehreren Parteien in einem sternförmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt. Dabei werden einzelne Lichtquanten an Nutzende in dem Kommunikationsnetzwerk verteilt, um aus ihnen die Zufallszahl und damit die digitalen Schlüssel zu berechnen.

Quantenverschlüsselung robuster gemacht

Bisher sind solche Quantenschlüsselverfahren technisch aufwändig und sensibel gegenüber äußeren Störeinflüssen. Das System aus dem Sonderforschungsbereich Crossing beruht auf einem speziellen Protokoll. Das System verteilt Photonen aus einer zentralen Quelle an alle Nutzenden im Netzwerk und weist die Sicherheit der Quantenschlüssel durch den Effekt der Quantenverschränkung nach. Dieser quantenphysikalische Effekt erzeugt Korrelationen zwischen zwei Lichtteilchen, die selbst dann erhalten werden, wenn sie weit voneinander entfernt werden. Durch die Vermessung einer Eigenschaft des Lichtteilchens aus einem Paar kann so die Eigenschaft des Partnerteilchens vorhergesagt werden. Häufig wird als Eigenschaft die Polarisation verwendet, die jedoch in den zur Übertragung verwendeten Glasfasern durch Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Vibrationen gestört wird. Das Darmstädter System hingegen nutzt ein Protokoll, bei dem die Quanteninformation in der Phase und Ankunftszeit der Photonen kodiert wird und das deswegen besonders unempfindlich gegenüber solchen Störungen ist.

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

Sonderforschungsbereich für sichere IT-Systeme

Mehr als 65 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Kryptographie, Quantenphysik, Systemsicherheit und Softwaretechnik arbeiten im Sonderforschungsbereich Crossing zusammen und betreiben sowohl Grundlagen- als auch anwendungsorientierte Forschung. Ziel ist es, Sicherheitslösungen zu entwickeln, die auch in der Zukunft sichere und vertrauenswürdige IT-Systeme ermöglichen. Crossing wird seit 2014 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Originalpublikation:

[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”, in PRX Quantum. DOI:

Quelle:

Kooperationspartner:

Bild: TU Darmstadt / Google Maps

Abhörgeschütztes Quanten-Netzwerk realisiert

pte20220525027 Technologie/Digitalisierung, Forschung/Entwicklung

Abhörgeschütztes Quanten-Netzwerk realisiert

System von Forschern der Technischen Universität Darmstadt basiert auf der Schlüsselverteilung

Prozessor der Zukunft: Quanten-Netzwerk jetzt abhörsicher (Bild: TheDigitalArtist)

Darmstadt (pte027/25.05.2022/12:30) -

Forscher der Technischen Universität Darmstadt haben auf Grundlage der sogenannten Quantenschlüsselverteilung ein neuartiges abhörsicheres Kommunikationsnetzwerk entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden in "PRX Quantum" vorgestellt.

Nutzerzahl skalierbar

Das neue System ermöglicht es, symmetrische Schlüssel zwischen Parteien auszutauschen, um Botschaften anschließend unlesbar für Dritte zu verschlüsseln. So ist der Betrieb eines Quanten-Netzwerks gelungen, das in der Anzahl der Nutzer skalierbar und gleichzeitig robust ist sowie ohne vertrauenswürdige Knoten auskommt.

Mit der Innovation wird der Quantenschlüsselaustausch möglich, der mehreren Parteien in einem sternförmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt. Dabei werden einzelne Licht-Quanten, die Photonen, an Nutzer in dem Kommunikationsnetzwerk verteilt, um aus ihnen die Zufallszahl und damit die digitalen Schlüssel zu berechnen.

Frühzeitige Kodierung

Das Darmstädter System nutzt ein Protokoll, bei dem die Quanteninfo in der Phase und Ankunftszeit der Photonen kodiert wird und das deswegen besonders unempfindlich gegenüber Störungen ist. So ist es erstmalig gelungen, ein Netzwerk aus Nutzern mittels dieses robusten Protokolls mit Quantenschlüsseln zu versorgen. Die hohe Stabilität der Übertragung und die prinzipielle Skalierbarkeit wurden in einem Feldversuch demonstriert.

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