Kostengünstiger Schutz gegen Quantenangriffe?

„Die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputern sind eine Bedrohung für die Datensicherheit und verschlüsselte Kommunikation“, sagt Laurent Schmalen, Professor am Institut für Nachrichtentechnik des KIT. „Denn die gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren basieren auf der Schwierigkeit, große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen – also in Zahlen, die nur durch eins und sich selbst teilbar sind.“ Dieser Prozess sei für herkömmliche Computer extrem umständlich und zeitaufwendig, für Quantencomputer aber nicht, erklärt der Experte. „Und wer die Primfaktoren einer großen Zahl kennt, kann die Verschlüsselung brechen.“

Den Angaben des KIT zufolge gibt es nun eine verblüffend einfachen Ausweg aus diesem Dilemma. Aus Sicht der Forscher lassen sich Quantenangriffe nämlich mit klassischen Kryptografie-Verfahren abwehren, sprich mit symmetrischer Verschlüsselung. Hierbei müssen beide Parteien vor dem Aufbau der verschlüsselten Verbindung einen virtuellen Schlüssel austauschen, um die übertragenen Daten später wieder decodieren zu können. Das ist zwar abhörsicher, bislang sind dafür aber komplizierte und teure Geräte notwendig. Jetzt haben die Forschenden hingegen lediglich herkömmliche Hardware eingesetzt.

„Wir konnten den Quantenschlüsselaustausch mit Standardhardware aus der Glasfaserkommunikation durchführen, wie sie beispielsweise bei Glasfaseranschlüssen in Häusern und Wohnungen verwendet wird, und nicht mit kostspieligen Spezialgeräten“, sagt Schmalen. Dadurch sei binnen fünf Jahren ein flächendeckender Einsatz möglich. „So können wir das globale Telekommunikationsnetz abhörsicher machen.“

Erfolgreiche Demonstration

Ende März hat das Projektteam das Verfahren in Echtzeit an der Ludwig-Maximilians-Universität München demonstriert. Dabei wurde eine Videoübertragung über eine Glasfaser am Campus realisiert, die mit dem Quantenschlüsselaustausch geschützt war. Die Forschenden des KIT haben dafür neuartige Algorithmen zum Schlüsselabgleich entwickelt. Diese stellen sicher, dass beide Parteien, die eine verschlüsselte Verbindung aufbauen wollen, einen absolut identischen Schlüssel besitzen und dabei trotzdem die Verbindung abhörsicher ist.

„Unsere neuen Algorithmen zum Schlüsselabgleich sind ein entscheidender Schritt, um abhörsichere Verbindungen zu gewährleisten. Sie passen sich dynamisch an wechselnde Bedingungen an und verhindern, dass Angreiferinnen und Angreifer Informationen aus dem Schlüsselaustausch gewinnen können“, erläutert Schmalen.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Projekt mit 3,4 Millionen Euro. Davon erhielt das KIT gut zehn Prozent. Projektpartner neben dem KIT und ADVA Network Security sind die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Leibniz Universität Hannover sowie Microwave Photonics und Creonic.