Technologieforum

Sichere Quanten­kommuni­kation im Feldtest

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

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

Quelle: www.tu-darmstadt.de

Kooperationspartner: www.telekom.de

Bild: TU Darmstadt / Google Maps