Sichere Kommunikation mit Photonen
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
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
E. Fitzke et al.: Scalable Network for Simultaneous Pairwise Quantum Key Distribution via Entanglement-Based Time-Bin Coding, PRX Quantum 3, 020341 (2022); DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.020341 - Laser und Quantenoptik (T. Walther), Institut für angewandte Physik, FB Physik, Technische Universität Darmstadt
