Verquickte Lichtteilchen: Wie Quantenkommunikation Chats abhörsicher machen kann

Der Austausch über Messengerdienste oder E-Mail erscheint vielen sicher, sobald das Wort „verschlüsselt“ auftaucht. Doch das Datenschloss kann je nach Ausführung zu knacken sein, warnen Experten. Wirklich sicher ist nach aktuellem Wissensstand nur die Quantenkommunikation.

Nach diversen Belegen für den sicheren Datenaustausch bei Experimenten über Land und via Satellit steht nun der Schritt in die Praxis an. In wenigen Jahren soll in Deutschland und Europa ein abhörsicheres Kommunikationsnetz für Behörden und Wirtschaft entstehen, später auch für Privatpersonen.

Gerade letztere bringen oft das „Ich-habe-doch-nichts-zu-verbergen“-Argument. Experten wie Hannes Hübel warnen aber vor leichtfertigem Umgang mit persönliche Informationen: „Ein Fingerabdruck oder Irisscan ist einmalig, der lässt sich nicht ändern“, sagt der Forscher vom Austrian Institute of Technology (AIT).

„Solche Daten müssen nicht nur heute sicher sein, sondern auch in den nächsten Jahrzehnten.“ Er spielt auf sogenannte „Store now, decrypt later“-Attacken an, bei denen etwa Nachrichtendienste versuchen, den Austausch verschlüsselter Daten abzuspeichern, um diese später einmal mit großer Rechenpower oder mit künftigen Computersystemen zu knacken.

„Die heute verwendeten Algorithmen zur Verschlüsselung werden zunehmend unsicher, weil sie von Quantencomputern oder Supercomputern gelöst werden könnten“, sagt Hübel. Wirklich sicher sei nur eine quantengestützte Sicherung. Hierbei werden die Daten ebenfalls verschlüsselt, der Schlüssel selbst jedoch wird per Quantentechnologie erzeugt und übertragen.

Lichtteilchen können Hacks auffliegen lassen

Dafür nutzen die Techniker das Phänomen der Quantenverschränkung: Die Zustände zweier Photonen (Lichtteilchen) sind dabei miteinander „verquickt“. Wird eines davon beeinflusst, etwa durch eine Messung, „merkt“ man das dem anderen Photon an, selbst wenn beide etliche Kilometer voneinander entfernt sind.

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Bezogen auf den Datentransfer heißt das: Verwenden Sender und Empfänger verschränkte Photonen für einen Schlüssel und eine dritte Person versucht, den Schlüssel auszulesen, flöge das umgehend auf. Nur wenn der Schlüssel ungestört ankommt, können beide Partner sicher sein, dass kein Fremder die Leitung abhört. Um sicher zu gehen, wird der Schlüssel möglichst oft gewechselt, so dass der unerwünschte Lauscher jedes Mal von vorn beginnen müsste.

© AFP/Google/Handout

In der Theorie ist das simpel, in der Praxis – wie so oft – kompliziert. Hübel arbeitet mit Forschenden aus Österreich, Deutschland, Belgien und Dänemark im EU-Projekt „Uniqorn“ mit der Industrie an Verfahren, um optische Technologien für die Quantenkommunikation verfügbar zu machen.

China macht Europa konkurrenz bei Quantenforschung

„Noch hat Europa in diesem Forschungsfeld eine Führungsposition, in harter Konkurrenz zu China, aber vor den USA, die sich eher auf Quantencomputing konzentrieren“, sagt Hübel. Nun gelte es, das Grundlagenwissen in anwendungsreife Produkte zu überführen.

„Apparate, die bisher auf Labortischen angeordnet sind, sollen so miniaturisiert werden, dass in kleine, handliche Bauteile passen und billiger soll die Technik natürlich auch werden“, sagt er. Daran ist auch das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin beteiligt.

Hier wurde eine vier Quadratzentimeter kleine Plattform entwickelt, auf der dank Mikrolinsen-Technik Komponenten untergebracht sind, die normalerweise auf einem DIN-A4-Blatt arrangiert werden, berichtet Moritz Kleinert vom HHI. Dazu gehören ein Kristall, der die verschränkten Photonen erzeugt, ein Photonendetektor und die nötigen Schaltkreise.

Quanteninternet ist nicht mehr weit entfernt

In „acht bis zehn Jahren“, schätzt Kleinert, könnten diese Chips in die grauen Kästen am Straßenrand montiert werden. „Wo das Glasfasernetz mit DSL-Anschlüssen verbunden wird, könnten sie beitragen, Daten mittels Quantenkommunikation gesichert zu übertragen.“

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Eine Verschlüsselung direkt an Privat-Anschlüssen sieht er auf absehbare Zeit aber nicht. „Oft haben die keinen Glasfaseranschluss, den es dafür braucht, und auch der Bedarf wird kaum da sein.“ Anders sieht es bei der Datenübertragung von Unternehmen oder Behörden aus.

Hier setzt die Initiative „Qunet“ an, die seit 2019 vom Bundesforschungsministerium über sieben Jahre mit 125 Millionen Euro gefördert wird. Es ist eines der Lieblingsthemen von Ministerin Anja Karliczek (CDU). „Ich möchte Deutschland im Bereich des ,Quanteninternet’ an die Weltspitze bringen“, sagte sie Anfang Dezember, als erste Ergebnisse von „Qunet“ vorgestellt wurden.

Quantenschlüssel über Luftverbindung möglich

Dafür haben die Max-Planck-Gesellschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt Grundlagen für neue Kommunikationsstandards entwickelt. Konkret sollte erstmals zwischen zwei Bundesbehörden in Bonn eine quantenverschlüsselte Datenübertragung demonstriert werden.

Wegen der Pandemie musste die öffentliche Vorführung jedoch verschoben werden. Geplant war eine Freistrahlverbindung, bei der der Quantenschlüssel nicht über ein Glasfaserkabel, sondern durch die Luft von einem Sender zum Empfangsteleskop übertragen wird. „Wir haben die Technologie mehrfach bei uns getestet und beispielsweise eine Videokonferenz mit Quantenverschlüsselung durchgeführt“, sagt Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena.

Hierbei sei unter anderem eine Quelle entwickelt worden, die sehr viele Photonenpaare erzeugen kann sowie ein Teleskop, das sehr viele der verschickten Photonen registriert und kaum Verluste aufweist. Die Freistrahlstrecken für die Tests waren zwischen einigen Zehnermetern und knapp zwei Kilometern lang, berichtet der Forscher.

Übertragen wurden aber nicht die Videosequenzen an sich, das wären zu viele Daten gewesen. „Die Bilder und Töne werden wie gewohnt verschlüsselt und über eine konventionelle Glasfaser verschickt, da habe ich die volle Bandbreite“, so Tünnermann. „Die Freistrahlverbindung wird lediglich genutzt, um die Schlüssel sicher zu übertragen.“

Hindernisse würden Verbindung stören

Und da gibt es die erwartbaren Schwierigkeiten. Zunächst muss eine Sichtverbindung möglich sein, darf kein Haus oder Baum im Wege sein. Dann müssen die Zulassungsbehörden zustimmen, die mit der neuen Technik wenig vertraut sind. Der Laserstrahl im nahen Infrarotbereich werde von wenigen Millimetern auf rund 20 Zentimeter Durchmesser aufgeweitet, die Leistungsdichte nehme deutlich ab, so dass das Verfahren „augensicher“ sei, versichern die Jenaer Forscher.

Auch Nebel, grelles Sonnenlicht und Regen können die Übertragung beeinträchtigen, erzählt Tünnermann. Hier werde weiter geforscht, um das System robuster zu machen. „In der Realität werden es hybride Netze sein, die Freistrahl- und Glasfasertechnik für die Quantenkommunikation kombinieren, zumindest innerhalb von Metropolenregionen“, sagt er.

Um Quantenzustände über größere Distanzen im Land oder über Grenzen hinweg zu übertragen, arbeiten Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt an Freistrahlverbindungen via Flugzeug oder Satellit. Wie das Gesamtsystem einer sicheren Datenübertragung am besten aufzubauen ist, daran forschen wiederum Experten des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen. Außerdem muss die Technik zertifiziert werden, weshalb das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik eingebunden ist.

Bis zum quantenbasierten Deutschland-Netz wird es also noch dauern. Einzelne Anwendungen könnten aber schon bald kommen, ist der Fraunhofer-Forscher Tünnermann überzeugt und nennt als Beispiel Datenzentren von Banken oder Versicherungen.

„Diese spiegeln permanent ihre Daten“, erklärt er. Um diese Leitungen abzusichern, würden die Unternehmen gern Quantenschlüssel verwenden. „In diesem Fall könnte schon in zwei oder drei Jahren eine kommerzielle Nutzung möglich sein.“