Abhörsicheres Quantennetzwerk an der TU Berlin

Es wäre der Supergau für den Datenschutz: Wenn in der Zukunft leistungsfähige Quantencomputer zur Verfügung stehen, könnten diese unsere heutigen Verschlüsselungsverfahren ohne Aufwand knacken. Forschende arbeiten deshalb weltweit mit Hochdruck an der sogenannten Quantenkryptografie, die durch quantenphysikalische Prinzipien von Natur aus sicher ist.

Zwei Dinge sind bei diesem Verfahren besonders: Einerseits sind aus quantenmechanischen Gründen die Schlüssel rein zufällig, was die Codierung der Nachricht zu 100 Prozent sicher macht. Vor allem aber kann bei der Übertragung der Schlüssel ein Lauscher in der Leitung enttarnt werden, denn gemäß den Regeln der Quantenmechanik würde er bei der Messung der Photonen diese verändern. „Tatsächlich ist das Verfahren sehr komplex“, erklärt Heindel. So werden nicht nur vertikal und horizontal, sondern auch um 45 Grad gedrehte Schwingungsrichtungen verwendet, die jeweils mit passenden Filtern eingestellt und gemessen werden können. Wie die Filter eingesetzt werden und wie sich Sender und Empfänger über einzelne Messergebnisse austauschen, um einen Lauscher zu entlarven, wird in Protokollen festgeschrieben.

„Oft klafft zwischen diesen informationstheoretisch sicheren Protokollen und ihrer Umsetzung mit realen Messgeräten eine Lücke, da in den Protokollen gemachte Annahmen durch die Technik nicht vollständig erfüllt werden können“, sagt Heindel. „Das öffnet sogenannten Seitenkanalattacken die Tür, bei denen Angreifer*innen genau diese Lücke ausnutzen.“ In tubLAN Q.0 sollen nun diese Gefahren beim Schlüsselaustausch über Glasfasern zwischen zwei Orten A und B durch die Einführung einer Zentralstation minimiert werden, an die sowohl A wie B Photonen schicken. Diese werden in der Zentrale gemeinsam gemessen und A und B erhalten über normale, klassische Leitungen die Messergebnisse. In Kombination mit den nur bei A und B bekannten Schwingungsrichtungen der gesandten Photonen können die beiden Parteien anschließend einen sicheren Schlüssel generieren. „Das tolle an diesem Verfahren ist, dass die Zentralstation noch nicht einmal besonders geschützt werden muss, denn eine Spion*in kann mit den dort gemessenen Werten ohne die bei A und B vorhandenen Informationen gar nichts anfangen“, betont Heindel.

Zwischen dem Hauptgebäude als Zentralstation und zwei Räumen im Gebäude EW als A und B soll nun weltweit erstmalig dieses auch „Measurement-device-independent quantum key distribution“ (MDI-QKD) genannte Verfahren mit räumlich getrennten Quanten-Lichtquellen eingesetzt werden. Durch die zentrale Architektur eignet es sich hervorragend für ein städtisches Netzwerk mit vielen verschiedenen Teilnehmer*innen, die alle miteinander kommunizieren möchten.

Auch bei den Lichtquellen für die Aussendung der Photonen wird tubLAN Q.0 Neuland betreten. Alle bisher realisierten Quantennetzwerke, wie etwa in Wien, Cambridge (England) oder Hefei (China) benutzen dazu Laser. Diese senden aber nicht in allen Fällen die benötigten einzelnen Photonen aus, sondern häufig auch Gruppen von zwei oder mehr. Diese können dann jedoch nicht für die Herstellung des Quantenschlüssels verwendet werden und verringern somit die Übertragungsrate. „Da ja die verwendeten Schlüssel genauso lang sein müssen wie die Nachricht selbst, verlangsamt sich das Verfahren dadurch merklich“, sagt Tobias Heindel. „Wir werden deshalb zum ersten Mal in einer realistischen Netzwerkumgebung reine Einzelphotonenquellen verwenden, die tatsächlich nur jeweils ein einziges Lichtteilchen aussenden.“