Forschung

Sichere Kommunikation mit Photonen

31.05.2022 - Forscher entwickeln abhörgeschütztes Quanten-Netzwerk.

Quantencomputer bieten viele neuartige Möglich­keiten, bedrohen aber auch die Sicherheit des Internets: Denn die Superrechner machen gängige Verschlüs­selungs­verfahren angreifbar. Auf Grundlage der Quanten­schlüssel­ver­teilung haben Forscher der TU Darmstadt jetzt ein neuartiges, abhör­sicheres Kommuni­ka­tions­netzwerk entwickelt. Das neue System dient dazu, symmetrische Schlüssel zwischen Parteien auszu­tauschen, um Botschaften anschließend unlesbar für Dritte verschlüsseln zu können.

Den Forschern um Thomas Walther gelang in Kooperation mit der Deutschen Telekom der Betrieb eines Quanten-Netzwerks, das in der Anzahl der Nutzer 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 neuartige System ermöglicht einen Quanten­schlüssel­austausch, der mehreren Parteien in einem stern­förmigen Netzwerk eine gemeinsame Zufallszahl zur Verfügung stellt. Dabei werden einzelne Photonen an die Nutzer 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 neue System beruht auf einem speziellen Protokoll. Das System verteilt Photonen aus einer zentralen Quelle an alle Nutzer im Netzwerk und weist die Sicherheit der Quanten­schlüssel durch den Effekt der 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 neue 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 Nutzern 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 erfolgreich demonstriert. Als nächsten Schritt planen die Forscher der TU Darmstadt die Anbindung weiterer Gebäude in der Stadt an ihr System.

TU Darmstadt / RK

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