Neuland betreten Sichere optische Datenübertragung mit Quantentechnik und Licht

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS arbeiten die Forscher an einer Möglichkeit, die optische Datenkommunikation noch sicherer zu machen. Das sei bisher einzigartig.

Die moderne Quantentechnologie eröffnet viele neue Anwendungsgebiete. Aber sie birgt auch Risiken. So könnten Quantencomputer dank ihrer enormen Rechenleistung selbst modernste Datenverschlüsselungsverfahren aushebeln. Mit der Quantentechnologie stehen aber in vielen technischen Bereichen auch die nächsten großen Innovationssprünge bevor. Außer Quantencomputern, Quantenbildgebung und Quantenuhren stehe vor allem die Quantenkommunikation und die Quantenverschlüsselung für eine sichere und private Datenkommunikation im Fokus der Entwicklungen. Dabei sollen klassische Verschlüsselungsansätze, die auf rechnerischer Komplexität beruhen, durch neuartige Quantenschlüsselverteilungsmethoden in Kombination mit der Post-Quanten-Kryptographie ersetzt werden, wie die Dresdener Forscher erklären. Diese Kodierung könne selbst mit beliebig viel Zeit und Rechenleistung nicht geknackt werden. Und weil die existierende Kryptographie bald durch die immer größeren Rechenpower von Quantencomputer bedroht sei, müssten Alternativen rechtzeitig entwickelt werden, damit die Übergangszeit nicht zu Problemen mit Hackern führe.

Die bisherige Forschung konzentrierte sich auch ausschließlich auf eine sichere Datenkommunikation über weite Strecken in der globalen Dateninfrastruktur sowie zur Vernetzung von behördlichen oder militärischen Einrichtungen oder zum Informationsaustausch mit Satelliten. Der Endnutzer auf dem letzten Kilometer war ausgeschlossen und damit angreifbar. Das soll sich durch das vom BMBF geförderte Projekt „QuINSiDa“ – Quantenbasierte Infrastruktur Netze für Sicherheitskritische drahtlose Datenkommunikation bald ändern.

„QKD over Li-Fi“ bringt Sicherheit bis zum Endnutzer

Mit der Li-Fi-Technologie (Light Fidelity) können sich Nutzer über kurze Distanzen mittels optischer Signale miteinander vernetzen. Im Vergleich zur bekannten Wi-Fi-Technologie, die bekanntlich auf Funkwellen basiert, durchdringen die optischen Signale aber keine Wände. Sie können auch auf einen definierten Bereich beschränkt werden. Damit könne man mit der Li-Fi-Technologie die ganze verfügbare spektrale Datenbandbreite in diesem Bereich ohne Störungen von außen nutzen, betonen die Experten.

Unabhängig davon, wird diese Alternative der Quantenkryptographie weltweit vorangetrieben. Im Speziellen gehe es hier um die Quantenschlüsselverteilung (quantum key distribution = QKD), die es ermöglicht, einen kryptographischen Schlüssel zu verteilen, dessen Sicherheit informationstheoretisch bewiesen werden kann. Das unterscheidet sie von angreifbaren, üblichen kryptographischen Verfahren.

Bei der Quantenschlüsselverteilung werden beim Erzeugen der Schlüssel Quantenzustände in Form von Licht präpariert und zwischen den Teilnehmern im Netzwerk ausgetauscht. Beim Empfang der Quantenzustände werden diese gemessen und nachbearbeitet, so dass auf beiden Seiten identische, aber für einen Angreifer geheime Schlüssel entstehen. Das Projekt kombiniert nun erstmals beide Technologien zu einem „QKD over Li-Fi“-System, das die bisher typischerweise eher im Gebäude-zu-Gebäude-Szenario angedachte QKD auch bis zum Endnutzer führt. Dabei soll unter Nutzung eines flexiblen drahtlosen Datenkommunikationsnetzwerks im Punkt-zu-Multipunkt-Szenario eine gleichzeitige Absicherung der einzelnen Kommunikationskanäle auf Basis von Quantenschlüsseln gewährleistet werden.

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