QuNET soll zur Sicherheit des Datenverkehrs beitragen

Pilotprojekt zur Kommunikation mit Quanten

Die Sicherheit des Datenverkehrs zählt zu den größten Herausforderungen der digitalen Gesellschaft. Die Quantenkommunikation bietet dafür einzigartige Chancen. Sie ermöglicht es, sensible Informationen so zu übertragen, dass deren Vertraulichkeit sicher gewahrt bleibt. Deshalb hat Forschungsministerin Anja Karliczek heute das ehrgeizige Projekt QuNET gestartet,

  • Quantenbildgebung basierend auf verschränkten Photonenpaaren

  • Sie stellten in Berlin die QuNet-Initiative vor, deren Ziel auch die Entwicklung von Bauteilen für die Quantenkommunikation ist (von links): Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer IOF, Max-Planck-Direktor Gerd Leuchs, Forschungsministerin Anja Karliczek und Fraunhofer-Präsident Prof. Reimund Neugebauer mit einer verschränkten Photonenpaarquelle für den Einsatz im Weltraum.

Quantenkommunikation verspricht höchste Sicherheit des Datenverkehrs, weist heute aber noch massive Restriktionen bei Bandbreite (im Kilobit-Bereich) und Reichweite (unter 100 Kilometer) auf. Außerdem sind die bisherigen Prototypen auf bidirektionale Kommunikation beschränkt – und noch längst nicht für multilaterale Kommunikation in Datennetzen geeignet.

Um die Möglichkeiten der Quantenkommunikation im Alltag zu nutzen, müssen Deutschland und Europa ihre Kompetenzen ausbauen und eine entsprechende Infrastruktur aufbauen, betonte Karliczek heute auf einer Pressekonferenz in Berlin. Deshalb starte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft, der Max-Planck-Gesellschaft und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR unter Einbeziehung von deutschen Technologieunternehmen das Forschungsprojekt QuNET – eine Großinitiative für ein abhörsicheres Quanteninformationsnetzwerk. Die erste Phase (2 Jahre) wird vom BMBF mit 25 Mio. Euro gefördert. Über die sieben Jahr soll das Projekt mit 165 Mio. Euro gefördert werden.

In einem ersten Schritt soll QuNET die Technologie erforschen und ab September auf einer Pilotstrecke zwischen zwei Behörden erproben. Ziel des Vorhabens ist jedoch nicht nur die sichere Kommunikation zwischen Regierungsorganisationen: Die auf sieben Jahre angelegte Initiative soll als zentrale Plattform für den Aufbau einer deutschen Quantenkommunikationsinfrastruktur dienen. Auf europäischer Ebene verfolgen die Bundesregierung und das QuNET-Konsortium das Ziel, einen sicheren europäischen Datenraum zu schaffen.

Ein Modell für eine deutsche Infrastruktur der Quantenkommunikation

In der Initiative haben sich das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, die Fraunhofer-Gesellschaft mit ihren Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena sowie für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI in Berlin sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt zusammengeschlossen. Auch Industriepartner aus den Bereichen Telekommunikation, System- und Komponentenentwicklung, Sicherheit, Satellitenbetrieb sind an dem Projekt beteiligt; darunter Unternehmen wie Deutsche Telekom AG, ADVA Optical Networking und Tesat-Spacecom.

Ziel von QuNET ist es zunächst, Einrichtungen der Bundesregierung eine sichere Kommunikation zu ermöglichen. Dieses Quantennetz soll dann als Modell für eine deutsche Infrastruktur der Quantenkommunikation dienen und wird auch wegweisend für den Aufbau eines Quanteninternets sein. Auf europäischer Ebene möchten die Bundesregierung und die QuNET-Konsortialpartner einen sicheren europäischen Datenraum schaffen. „Deutschland und Europa müssen in diesem Bereich eigene Kompetenzen ausbauen, um nicht von anderen abhängig zu werden. Darum müssen wir die Forschung auf diesem Zukunftsfeld voranbringen. Deutschland und Europa sollen der vertrauenswürdigste Datenraum der Welt werden – deshalb werde ich das Thema auf die deutsche und europäische Agenda setzen“, sagte Anja Karliczek.

Ein heterogenes Netz aus verschiedenen Übertragungsmedien

Konkret werden die Partner der Initiative die physikalischen und technischen Voraussetzungen schaffen, um aus verschiedenen Übertragungsformen wie Lasersignalen durch Glasfasern und durch die Luft bis hin zu Satelliten sowie der elektronischen Datenübertragung ein heterogenes Netz für die Quantenkommunikation zu knüpfen. Bislang werden Quantenzustände nur über jeweils eines dieser Medien ausgetauscht.

Für praktische Anwendungen der Quantenkryptografie im großen Stil muss ein Datenpaket auf seinem Weg vom Sender zum Empfänger aber das Medium wechseln können. Zudem werden die Konsortialpartner an Glasfasern arbeiten, in denen weniger Signale verloren gehen als in den heutigen Leitungen. Solche Übertragungswege sind nötig, um die schwache und fragile Quanteninformation effizienter verschicken zu können. Schließlich soll QuNet auch praxistaugliche effiziente Übertragungsmöglichkeiten für Licht zu Quantenspeichern entwickeln, die Quanteninformation aufnehmen können, damit sie auf langen Übertragungswegen aufgefrischt oder in Quantencomputern genutzt werden kann.

Keine Verstärker möglich

Dass sich Quanteninformation aus physikalischen Gründen nicht wie klassische Information einfach verstärken lässt, erschwert zwar die Übertragung über weite Strecken, macht es aber im Gegenzug auch physikalisch unmöglich sie unbemerkt abzuhören, wie Gerd Leuchs, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, erklärt: „Jeder unerwünschte Zuhörer verändert ein Quantenobjekt. Deshalb ist es unmöglich perfekte Kopien eines unbekannten Quantenobjekts zu erstellen.“

Die Quantenphysik kommt der Kryptografie aber auch bei der Ermittlung von Zahlencodes, die als Schlüssel dienen und zufällig ermittelt werden sollen, zu Hilfe. Denn bei Quantenmessungen herrscht echter Zufall, während sich etwa ein Würfelergebnis voraussagen ließe, wen man alle physikalischen Parameter des Wurfs kennen würde. „Der Zufall der Quantenmessungen verspricht perfekte Zufallszahlen. Perfektere Zufallszahlen kann man auf andere Weise nicht erzeugen“, sagt Gerd Leuchs. So legen die Eigenheiten der Quantenphysik die Grundlagen für QuNet und ermöglichen es, Daten auch künftig sicher zu übertragen.

Quantentechnologie – Gefahr und Schutz der Datensicherheit gleichermaßen

Warum QuNET jetzt gestartet wird, begründen die federführenden Forscher so: „Immer leistungsfähigere digitale Technologien wirken auf die Datennetzwerke von heute ein und sind zunehmend eine Gefahr für die Sicherheit dieser kritischen Infrastruktur der modernen Informationsgesellschaft. Hinzu kommt die voranschreitende Entwicklung zum Quantencomputer. Mit der Fähigkeit, eine Vielzahl von möglichen Optionen gleichzeitig zu berechnen und zu analysierten, werden nicht nur neue Chancen, sondern auch Risiken geschaffen. Viele der bisherigen Sicherheitsmechanismen wie mathematische Verschlüsselung lassen sich damit leicht knacken. Vor allem Regierungsorganisationen, Banken und sicherheitskritische Unternehmen müssen ihre Sicherheitsinfrastrukturen überdenken und erneuern.“

Primäres Ziel von QuNET ist deshalb die Entwicklung der physikalisch-technischen Grundlagen sowie der notwendigen Technologien für ein abhörsicheres Kommunikationsnetzwerk. Doch QuNET ermöglicht mehr als nur sichere Kommunikation: Die perspektivischen Anwendungen der Übertragungen von Quantenzuständen reichen bis hin zu vernetzten Quantencomputern, dem sogenannten Quanteninternet. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaften, im Finanzsektor oder bei der Entwicklung von Medikamenten.

Kommerzialisierung erst im nächsten Jahrzehnt

In der Praxis wird man aber zunächst wohl nur den Quantenschlüsselaustausch (engl. Quantum Key Distribution, QKD) sehen, eines der wohl am besten untersuchten und international am weitesten fortgeschrittenen Beispiele. Aber auch diese Technologie ist noch in der Entwicklungsphase, eine Kommerzialisierung wird erst im nächsten Jahrzehnt erwartet.

Dann wird man die (kurzen) Schlüssel hochsicher, aber relativ langsam per Quantentechnologie austauschen und dann mit diesen Schlüssel ganz klassisch kommunizieren können – und das im nächsten Jahrzehnt mit Highspeed im Terabit-Bereich. Von der praxistauglichen Quantenkommunikation mit einem geostationären Satelliten sind wir noch „meilenweit“ entfernt.

Wie funktioniert Quantenverschlüsselung?

Bestehende Kommunikationsnetzwerke werden durch eine Quantenschlüsselverteilung (QKD) auch langfristig sicher. Die Quantenverschlüsselung macht sich die Eigenschaft von vielen Quantenteilchen zunutze, dass sie nicht unbemerkt vermessen oder perfekt kopiert werden können. Eine Quantenquelle erzeugt Lichtpulse, die zwischen zwei Orten ausgetauscht werden. Aus den Ergebnissen einer quantenmechanischen Messung würde eine Manipulation oder ein Abhören der Lichtpulse sofort erkannt werden.

Darauf aufbauend lassen sich zwei Schlüssel erzeugen, die nur dem Sender und Empfänger bekannt sind und die für eine Verschlüsselung genutzt werden können. Dieses Verfahren ist auch gegen alle zukünftigen Angriffe durch einen Quantencomputer sicher. Um größere Distanzen zu überwinden, können Quantenquellen beispielsweise verschränkte Photonenpaare von einem Satelliten mit interkontinentaler Reichweite an ihre Bestimmungsorte verteilen.

Bildquelle: BMBF, Fraunhofer IOF

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