Quantenschlüsselaustausch – Ultima Ratio der sicheren Datenkommunikation?

Von Ralf Keuper

Seit 2019 läuft das OPENQKD (Open Quantum Key Distribution) – Projekt: “Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts liegt auf der Erstellung und dem Test einer Infrastruktur für ein Kommunikationsnetzwerk, welches auf quantenmechanischen Verschlüsselungsmethoden aufbaut. Hierbei werden Eigenschaften der Quantenmechanik genutzt, um zwei Personen eine gemeinsame, wirkliche Zufallszahl zur Verfügung zu stellen. Durch diese  Zahl, welche in der Kryptographie als geheimer Schlüssel verwendet wird, können Daten mit einem sehr hohen Maß an Sicherheit übertragen werden[1]OPENQKD Open Quantum Key Distribution[2]Die Funktionsweise eines Quantenschlüsselaustauschs ist vergleichsweise einfach zu verstehen: Der Sender schickt polarisierte Teilchen – beispielsweise Photonen – über eine Leitung. … Continue reading[3]Wie funktioniert der Quantenschlüsselaustausch? | Quanten 1×1

Quantenschlüsselaustausch
Quantum Key Distribution (QKD) – auch bekannt als Quantenkryptografie – ist eine Technologie, die die Quantenphysik nutzt, um die Verteilung von symmetrischen Verschlüsselungsschlüsseln in Bewegung zu sichern. Diese Technologie nutzt eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik: Beobachtung verursacht Störung. Das bedeutet, dass der Absender gewarnt wird, wenn die Verschlüsselungsschlüssel “in Bewegung” abgefangen werden, und sich entscheiden kann, sie nicht zu verwenden.

In Rahmen des OPENQKD-Projekts wird die Quantenverschlüsselung bereits erfolgreich im Finanzbereich eingesetzt, wo es Zentralbanken, Global Custodians, Kryptowährungsbörsen und Vermögensverwaltern eine hochsichere Verwahrung digitaler Vermögenswerte ermöglicht[4]OpenQKD European Quantum Key Distribution Testbed.

Die erste internationale städteübergreifende QKD-Verbindung verbindet Cieszyn in Polen mit Ostrava in der Tschechischen Republik. Die Umsetzung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Poznań Supercomputing and Networking Center, CESNET, IT4Innovations und dem Nationalen Supercomputing Center an der VSB – Technischen Universität Ostrava[5]PSNC and IDQ collaborate to provide the world’s first cross-border QKD connection.

Nach Ansicht einiger Experten löst der Quantenschlüsselaustausch kein durch Quantencomputer geschaffenes Problem, da durch ihn die Funktion von Public-Key-Algorithmen nicht ersetzt werden kann[6]Ein Quantenschlüsselaustausch hilft nicht gegen Quantencomputer[7]Vor Jahren fanden schwedische Forscher einen Weg, den Quantenschlüsselaustausch auszuhebeln: Forscher knacken Quantenkryptografie. Echten Schutz biete dagegen die Post-Quanten-Kryptografie.

Die US-amerikanische Großbank J.P. Morgan hat zusammen mit Toshiba und Ciena die Forschung an einem Quantum Key Distribution (QKD) Blockchain-Netzwerk aufgenommen[8]JPMorgan kooperiert mit Toshiba und Ciena zur Erforschung der Blockchain für Quantum Key Distribution.

References

References
1 OPENQKD Open Quantum Key Distribution
2 Die Funktionsweise eines Quantenschlüsselaustauschs ist vergleichsweise einfach zu verstehen: Der Sender schickt polarisierte Teilchen – beispielsweise Photonen – über eine Leitung. Diese können auf vier verschiedene Arten polarisiert sein: senkrecht, waagerecht oder in einer der beiden Diagonalen (|, -, /, \). Der Empfänger wendet nun – zufällig – für jedes Teilchen einen Polarisationsfilter an, der entweder zwischen waagerecht und senkrecht oder zwischen den beiden Diagonalen unterscheiden kann. Nur wenn ein passender Filter gewählt wurde, kann der Empfänger die Polarisation des Teilchens korrekt bestimmen.

Anschließend schickt der Empfänger die verwendeten Filterkonfigurationen an den Sender – über einen sicher authentifizierten Kanal. Dieser wiederum schickt – ebenfalls über einen sicher authentifizierten Kanal – dem Empfänger eine Liste der korrekt genutzten Filter. Anschließend können Sender und Empfänger einen gemeinsamen Schlüssel aus den Teilchen, für die ein korrekter Filter eingesetzt wurde, generieren.

Die Sicherheit des gesamten Systems basiert darauf, dass ein Angreifer die korrekte Konfiguration der Polarisationsfilter nicht kennt. Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation kann der Angreifer die Polarisation der Teilchen nicht vollständig messen, ohne ihren Zustand zu zerstören. in: Die leeren Versprechen der Quantenkryptographie

3 Wie funktioniert der Quantenschlüsselaustausch? | Quanten 1×1
4 OpenQKD European Quantum Key Distribution Testbed
5 PSNC and IDQ collaborate to provide the world’s first cross-border QKD connection
6 Ein Quantenschlüsselaustausch hilft nicht gegen Quantencomputer
7 Vor Jahren fanden schwedische Forscher einen Weg, den Quantenschlüsselaustausch auszuhebeln: Forscher knacken Quantenkryptografie
8 JPMorgan kooperiert mit Toshiba und Ciena zur Erforschung der Blockchain für Quantum Key Distribution
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