Definition Quantenschlüsselaustausch | Quantum Key Distribution | QKD Was ist Quantenschlüsselaustausch?

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Der Quantenschlüsselaustausch ist ein bekanntes und bereits praktisch eingesetztes Verfahren der Quantenkryptographie. Unter Nutzung quantenmechanischer Effekte können zwei Kommunikationspartner einen für die symmetrische Verschlüsselung einsetzbaren Schlüssel abhörsicher austauschen. Der Quantenschlüsselaustausch stellt eine sichere Alternative zu heute gängigen Verfahren wie dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch dar.

Die englische Bezeichnung für Quantenschlüsselaustausch lautet Quantum Key Distribution, abgekürzt QKD. QKD ist eine bekanntes und bereits praktisch eingesetztes Verfahren der Quantenkryptographie. Die Bezeichnung Quantenschlüsselaustausch wird manchmal mit Quantenkryptographie gleichgesetzt. Das ist aber nicht korrekt, da die Quantenkryptographie sich grundsätzlich mit der Verwendung quantenmechanischer Effekte für kryptographische Verfahren beschäftigt und nicht auf den Quantenschlüsselaustausch beschränkt ist.

Der Quantenschlüsselaustausch basiert auf quantenmechanischen Effekten. Er ermöglicht es zwei Kommunikationspartnern, über einen Quantenkanal einen sicheren, für die symmetrische Verschlüsselung von Daten einsetzbaren Schlüssel zu vereinbaren. Für den Schlüsselaustausch lassen sich beispielsweise in bestimmte Richtungen polarisierte Photonen verwenden, deren Eigenschaften sich durch das Belauschen der Kommunikation verändern. Die Kompromittierung eines Schlüssels wird zuverlässig entdeckt und der Schlüssel kann ausgetauscht werden. Quantum Key Distribution stellt eine sichere Alternative zu heute gängigen Verfahren wie dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch dar. Die Sicherheit des Schlüsselaustauschs basiert nicht mehr auf mathematischen Algorithmen und Annahmen zur Rechenleistung von Computern, sondern auf physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik. Der Quantenschlüsselaustausch wurde bereits praktisch eingesetzt. Die überbrückbaren Distanzen sind jedoch begrenzt.

Quantenmechanische Effekte als Basis des Quantenschlüsselaustauschs

Quantum Key Distribution basiert auf Quantenphysik. Die physikalische Theorie der Quantenmechanik wurde in den 1920er-Jahren entwickelt. Maßgeblichen Anteil an der Entwicklung der Theorie hatten Wissenschaftler wie Heisenberg, Born, Dirac oder Schrödinger. Einer der Grundsätze der Quantenmechanik ist, dass es nicht möglich ist, den Status von Elementarteilchen zu messen, ohne dass dieser durch die Messung beeinflusst wird. Darüber hinaus können Zustände von Elementarteilchen über größere Entfernungen miteinander verschränkt sein. Ändert sich der Zustand eines Teilchens, beeinflusst das ohne Zeitverzug den Zustand des verschränkten Teilchens. Beispiele für den quantenmechanischen Effekten unterworfene Elementarteilchen sind Photonen oder Elektronen. Werden solche Teilchen unter Ausnutzung der Quantenphysik als Informationsträger für kryptographische Verfahren verwendet, ist es aufgrund der quantenmechanischen Effekte unmöglich, dass das Abhören der Kommunikation unbemerkt bleibt. Das Belauschen verändert die Quantenzustände und damit die übertragenen Informationen.

Prinzipielle Funktionsweise und praktische Verfahren des Quantenschlüsselaustauschs

Ein sicherer Austausch der Schlüssel ist von zentraler Bedeutung für eine abhörsichere Kommunikation mit Verschlüsselungsverfahren wie der symmetrischen Verschlüsselung. Beim Quantenschlüsselaustausch werden die Schlüssel auf Basis der Quantenphysik erzeugt und verteilt. Prinzipiell existieren für QKD zwei unterschiedliche Klassen von Verfahren. Während Verfahren wie das BB84-Protokoll einzelne, in verschiedene Richtungen polarisierte Photonen nutzen, deren Zustand sich nicht ohne Veränderung messen lässt, kommt für Verfahren wie das Ekert-Protokoll die Quantenverschränkung von Photonen zum Einsatz. Beim Ekert-Protokoll wird das Abhören der Schlüsselübermittlung durch Veränderungen der Quantenverschränkungen bemerkt.

Der Quantenschlüsselaustausch ist bereits praktisch einsetzbar. Schon 2004 wurde das Verfahren über Glasfaserverbindungen für eine Finanztransaktion in Wien eingesetzt. Die Länge des Übertragungskanals und die Schlüsselraten sind beschränkt. Auch die Übertragung über die Luftschnittstelle ist möglich. Quantenschlüssel wurden beispielsweise schon zwischen der Erde und Satelliten übertragen.

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