Sichere Kommunikation mit Lichtteilchen

Quantencomputer bieten viele neuartige Möglichkeiten, bedrohen aber auch die Sicherheit des Internets: Denn die Superrechner machen gängige Verschlüsselungsverfahren angreifbar. Auf Grundlage der sogenannten Quantenschlüsselverteilung haben Forschende der TU Darmstadt 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. 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.

Das System der Darmstädter Forschenden ermöglicht den sogenannten Quantenschlüsselaustausch, der mehreren Parteien in einem sternförmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt.

Dabei werden einzelne Licht-Quanten, sogenannte Photonen, an Nutzende in dem Kommunikationsnetzwerk verteilt, um aus ihnen die Zufallszahl und damit die digitalen Schlüssel zu berechnen. Aufgrund von quantenphysikalischen Effekten sind diese Schlüssel besonders sicher. So wird die Kommunikation besonders stark geschützt, außerdem können vorhandene Lauschangriffe entdeckt werden.

Bisher sind solche Quantenschlüssel-Verfahren technisch aufwändig und sensibel gegenüber äußeren Störeinflüssen. Das System der Darmstädter Gruppe 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 sogenannten Quanten-Verschränkung 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 Partner-Teilchens 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. Der Gruppe gelang es nun zum ersten Mal, ein Netzwerk aus Nutzenden mittels dieses robusten Protokolls mit Quantenschlüsseln zu versorgen.

Die hohe Stabilität der Übertragung und die prinzipielle Skalierbarkeit wurde in einem Feldversuch gemeinsam mit der Deutschen Telekom Technik GmbH erfolgreich demonstriert. 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”, in PRX Quantum

DOI: doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.020341

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.020341