In den kommenden Jahren werden Quantencomputer vermehrt versuchen, die Kommunikation zwischen sensiblen Infrastrukturen zu protokollieren und so die Datensouveränität der Bundesrepublik gefährden. Im Projekt QuNET arbeiten Forscher*innen deshalb mit Hochdruck an einem System zur sicheren Quantenkommunikation. Zentral dabei ist der Einsatz von Lichtquanten, die bei einer verschlüsselten Kommunikation einen nicht mehr manipulierbaren Austausch der Schlüssel gewährleisten. Im Interview erklärt Dr. Nino Walenta vom Fraunhofer HHI die Forschungen.

Hallo Herr Walenta. Die Bedeutung einer sicheren Verschlüsselung steht außer Frage. Allerdings wird es zunehmend wichtig, Verschlüsselungen zu nutzen, die auch mit modernen Methoden oder mit den Möglichkeiten von Quantencomputern nicht dechiffriert werden können. Im Projekt QuNET arbeiten Sie und ein Team des Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft, der Max-Planck-Gesellschaft sowie dem Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF an entsprechenden Technologien.

Quantencomputer sind in der Tat eine besondere Gefahr. Sie werden in der Lage sein, bisher übliche Verfahren der Verschlüsselung zu umgehen. Schon heute arbeiten Institutionen weltweit an Quantencomputern, die in der Lage sind, an verschlüsselte Informationen heranzukommen.

In Bluffdale im US-Bundesstaat Utah betreibt die NSA seit fast zehn Jahren ein Datencenter, das allem Anschein nach die Aufgabe hat, Datenverkehr abzufangen und zu speichern – auch wenn er verschlüsselt ist. Die Erwartung dabei: Eines Tages werden schnellere Algorithmen oder Quantencomputer diese Daten decodieren können.

Das funktioniert nach dem Motto ‚Store now, decrypt later‘, also ‚Jetzt speichern, später entschlüsseln‘. Es werden also heute sensible, aber verschlüsselte Daten abgefangen, um sie später mithilfe leistungsfähigerer Rechner oder neuer Algorithmen auszulesen. Wir brauchen deshalb unter anderem eine gesicherte Kommunikation im Bereich der kritischen Infrastruktur, also zum Beispiel zwischen Behörden. Wir müssen Deutschlands nationale, technologische Souveränität sowie die Sicherheit und Vertraulichkeit von Daten auch im Angesicht neuer Kommunikationstechnologien erhalten und verbessern.

Das ist – dank Ihrer Forschungen – bereits möglich.

Unser System arbeitet sehr wirkungsvoll. Das gilt auch für Angriffe mit Quantencomputern, die vielleicht erst in einigen Jahren genutzt werden können. Im vergangenen Jahr ist es uns gelungen, dass erstmals zwei deutsche Bundesbehörden quantengesichert miteinander kommunizieren: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung, dass das QuNET-Projekt fördert und das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnologie nutzten dafür sogar eine hochauflösende HD-Videokonferenz – ohne, dass es etwa zu Latenzen gekommen wäre. Unsere Technologie wird aber nicht nur für Regierungen und Behörden wichtig sein, sondern auch, um sensible Daten des täglichen Lebens zu schützen.

Sie nutzen dafür aber nicht Ihrerseits die Möglichkeiten von Quantencomputern?

Nein, wir wollen diese neuartigen oder potenziellen Angriffe durch Quantencomputer mit Methoden der Quantenphysik verhindern.

Sie spielen die Gefahren der Quantenphysik und die Möglichkeiten der Quantenphysik gegeneinander aus…

Bei der Verschlüsselung braucht man Schlüssel, also eine mathematische Funktion. Dieser Schlüssel verschlüsselt zu versendende Daten und entschlüsselt sie auf Empfängerseite. Beide Seiten, Sender und Empfänger brauchen also diesen Schlüssel. Die entscheidenden Schwachstellen dieses Systems liegen darin, dass der Schlüssel ausgetauscht werden muss. Dieser Austausch ist der Hautptangriffspunkt der Quantencomputer.

Quantencomputer können den Schlüssel bei der Übertragung abfangen und die mathematische Funktion knacken.

Genau, deshalb setzen wir in der Quantenkryptografie auf einen Quantenschlüsselaustausch oder kurz: QKD. Das Kürzel steht für Quantum Key Distribution. Sie ermöglicht den Austausch symmetrischer Schlüssel, deren Sicherheit quantifizierbar ist. Weil dafür fundamentale Prinzipien der Quantenphysik genutzt werden, können selbst Quantencomputer dieses Austauschsystem nicht knacken.

Sie haben dafür eine spezielle Hardware entwickelt.

Die Hardware an sich ist relativ einfach aufgebaut. Herzstück sind Boxen, die zwischen die Kommunikation im Glasfasernetz geschaltet werden. Eine auf Sender-, eine auf Empfängerseite.

Wenn diese Boxen nun als ergänzende Technik eingesetzt werden müssen, um eine auch quantensichere Kommunikation zu gewährleisten, bedeutet dass dann, dass diese Kommunikation nur zwischen Partner*innen möglich ist, die das jeweils zueinander passende Technikpaar besitzen?

Es wird in Zukunft bestimmt möglich sein, dass wir keine explizit zueinander passenden Paare für Sender und Empfänger benötigen werden, aber im Moment ist das noch so. Zudem nutzen wir derzeit auch noch Glasfaserverbindungen, die wir exklusiv nutzen können und müssen. Aber die Entwicklung steckt ja noch in den Kinderschuhen. Zunächst geht es um den sicheren Austausch von einzelnen Quantenschlüsselsendern beziehungsweise Quantenschlüsselempfängern.

Um das zu ermöglichen, arbeiten Sender und Empfänger mit einzelnen Lichtteilchen. Ich fürchte, dass müssen Sie mir als Laien genauer erklären.

Denken Sie an die Datenübertragung über Glasfaser. Dabei sendet ein Laser Lichtimpulse, also Photonen aus. Je nachdem, welche Eigenschaft diese Lichtpulse jeweils haben, werden sie als eine Null oder eine Eins interpretiert. Was wir in der Quantenkommunikation machen, ist nicht – wie für den bisherigen Schlüsselaustausch üblich – viele Lichtteilchen zu verwenden, sondern wir senden nur ein einziges. Denn eine Besonderheit der Quantenphysik besteht darin, dass ich Informationen, die ich in ein Lichtteilchen codiere, nicht kopieren kann. Der Schlüssel ist also einmalig, er lässt sich nie reproduzieren. Hinzu kommt noch ein zweiter Effekt, der in der Quantenphysik zutage tritt: Da ich die Schlüssel-Information in einzelnen Photonen transportiere, führt jeder Versuch, den Inhalt auszulesen, unausweichlich zur Zerstörung. Es kommt dann zu einem Fehler in der Übertragung. So registrieren wir jeden illegalen Versuch, diesen einen Schlüssel auszulesen und es wird ein neuer erzeugt.

Ein Auslese- oder Abhörversuch ist damit also ausgeschlossen?

Sie müssten dann schon in die einzelnen Standorte von Sender beziehungsweise Empfänger einbrechen und versuchen, die Geräte selbst zu manipulieren.

Aber es gibt – rein technisch – Limits für ihr System. Denn für Photonen brauchen Sie Glasfaser. Und hier ist die Länge des Übertragungswegs auf vielleicht 100 Kilometer begrenzt. Es sei denn, sie verstärken das Signal durch entsprechende Stationen.

Das ist in der Tat noch ein gewichtiges Problem – auch wenn wir mittlerweile und unter Laborbedingungen 400 Kilometer überbrücken können. Denn Verstärker, wie sie derzeit in unseren Glasfaser-Netzen verbaut werden, würden den Quantenschlüsselaustausch blockieren, weil das für uns wichtige, einzige Photon seine Eigenschaften verliert. Aber es gibt bereits heute einige Projekte, die sich mit der Entwicklung von Quantenrepeatern beschäftigen. Diese könnten dann auch für unsere sichere Kommunikationsleitung genutzt werden, wenn große Entfernungen überbrückt werden sollen. Vor allem aber ist Bestandteil unseres Projekts QuNET, dass wir am Aufbau eines speziellen Glasfasernetzes arbeiten, damit Nutzer*innen künftig an möglichst vielen Standorten über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gesichert kommunizieren können. Auch die nötige Exklusivität der Leitung lässt sich in so einem Fall besser gewährleisten, als wenn öffentliche Netze genutzt werden.

Das wird aber noch dauern …

Natürlich. Unser Projekt endet im Jahr 2026. Bis dahin wollen wir herausgefunden haben, wie ausgereifte Systeme für eine sichere Kommunikation aussehen müssen.

Deutschland und seine Forschungslandschaft ist in diesem Bereich nicht sonderlich bekannt dafür, neue Maßstäbe in der Quantenkommunikation zu setzen.

Auf jeden Fall wurde rechtzeitig auf die Notwendigkeit reagiert, dass wir ein eigenes, von uns national-souverän entwickeltes, abhörsicheres System brauchen. In China beispielsweise sind bereits Standorte mit Quantenkommunikationsanlagen miteinander verbunden, die mehrere tausende Kilometer entfernt liegen. Und diese Anlagen werden bereits genutzt, beispielsweise für Bank- oder Medizindaten, zum Austausch wichtiger juristischer Unterlagen oder auch für Regierungsinformationen. Um auf diesen Stand zu kommen, werden wir noch etwas brauchen. Es liegt also noch viel und vor allem wichtige Arbeit vor uns.

(hen)

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Dr. Nino Walenta
  • Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI
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