Quantenkryptographie über weite Distanzen Satelliten für die Quantenkommunikation

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Einsatz für die Post Quantum Cryptogarphy: Die Verschlüsselung mithilfe physikalischer Gesetze soll die Datenübertragung sicher und Abhörversuche unmöglich machen. Um Daten auch über weite Distanzen übertragen zu können, kommen Satelliten zum Einsatz.

Durch die fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern und deren steigenden Rechenleistungen wird es zukünftig möglich sein, unsere aktuellen Verschlüsselungsverfahren zu knacken. Forschende der Technischen Universität München (TUM) entwickeln in einem internationalen Forschungsverbund deshalb Methoden für die Verschlüsselung, die auf physikalischen Gesetzen beruhen und dadurch Abhörversuche unmöglich machen. Um die Kommunikation auch auf weite Distanzen zu garantieren, sollen im Rahmen der „Quick³“-Mission Satelliten zum Einsatz kommen.

Bei der Quick³-Mission handelt es sich um ein internationales Forschungsprojekt, an dem Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik und des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien, sowie der National University of Singapore beteiligt sind.

Aktuell werden Daten mathematisch verschlüsselt. Das heißt: Hinter der Verschlüsselung steckt die Idee, dass es schwierig ist, eine große Zahl in ihre Faktoren zu zerlegen. Durch die steigende Rechenleistung von Quantencomputern ist davon auszugehen, dass diese mathematischen Codes zukünftig nicht mehr sicher sein werden.

Verschlüsselung mithilfe physikalischer Gesetze

Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication Systems Engineering an der TUM, arbeitet an einem Verschlüsselungsverfahren, das mithilfe der physikalischen Gesetze funktioniert. „Die Sicherheit basiert darauf, dass die Informationen in einzelne Lichtteilchen kopiert und anschließend übertragen werden. Die physikalischen Gesetze erlauben es dabei nicht, diese Informationen unbemerkt zu lesen, zu kopieren oder zu manipulieren.“

Denn sobald die Informationen abgehört werden, verändern die Lichtteilchen ihren Zustand. „Da wir diese Zustandsänderung messen können, wird jeder Abhörversuch, unabhängig von zukünftigen technischen Entwicklungen, sofort erkannt“, sagt Vogl.

Die große Herausforderung bei der so genannten Quantenkryptographie besteht darin, Daten über weite Distanzen zu übertragen. In der klassischen Kommunikation wird Information in viele Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern verschickt.

Die Reichweite

Die Information in einem einzelnen Lichtteilchen kann jedoch nicht kopiert werden, weshalb man das Lichtsignal nicht - wie bei der aktuellen Kommunikation über Glasfaserkabel - immer wieder verstärken kann. Dadurch können Informationen nur über einige 100 Kilometer übermittelt werden.

Um Informationen auch in andere Städte oder Kontinente zu übertragen, soll zukünftig der Aufbau der Atmosphäre genutzt werden. Ab einer Höhe von etwa zehn Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Mithilfe von Satelliten ist es so möglich, Quantenkommunikation auch über weite Strecken zu betreiben.

Im Rahmen der so genannten Quick³-Mission entwickelt Tobias Vogl gemeinsam mit seinem Team ein komplettes System mit allen Komponenten, die benötigt werden, um einen Satelliten für die Quantenkommunikation zu bauen. In einem ersten Schritt hat das Team die einzelnen Komponenten des Satelliten individuell getestet.

Abhör- und manipulationssicher

Quantenschlüsselaustausch zwischen Rechenzentren über Satelliten und Glasfaser

Im nächsten Schritt wollen sie das gesamte System im Weltraum erproben. Hierbei untersuchen die Forschenden, ob die Technik überhaupt den Bedingungen des Weltraums standhält und wie die einzelnen Komponenten des Systems miteinander interagieren. Die Mission ist für 2025 geplant. Um für die Quantenkommunikation ein lückenloses Netz aufzubauen, werden allerdings hunderte oder sogar tausende Satelliten benötigt.

Hybrides Netzwerk zur Verschlüsselung

Nicht alle Informationen sollen zukünftig über diesen Weg übertragen werden, da das Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Vorstellbar ist ein hybrides Netzwerk, in dem Daten entweder mathematisch oder physikalisch verschlüsselt werden. Antonia Wachter-Zeh, TUM-Professorin für Codierung und Kryptographie, arbeitet daran, mathematisch so komplexe Algorithmen zu entwickeln, dass diese auch von einem Quantencomputer nicht gelöst werden können.

Bei den meisten Informationen wird es auch zukünftig ausreichen, die Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen zu verschlüsseln. Nur für besonders schützenswerte Dokumenten, die beispielsweise zwischen zwei Banken ausgetauscht werden, kommt zukünftig die Quantenkryptographie infrage.

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