QUANTENKRYPTOGRAPHIE

Zurück zur Übersicht der Technologiesteckbriefe

Was?
Quantenkryptographie nutzt die Gesetze der Quantenphysik, um Kommunikation abhörsicher zu machen. Das Besondere: Ein Lauscher kann die übertragenen Quantenzustände nicht unbemerkt abfangen – jeder Abhörversuch hinterlässt unweigerlich Spuren. Der Grund liegt in der Natur der Quantenmechanik: Quantenzustände lassen sich weder kopieren noch messen, ohne sie zu verändern. Man kann es sich vorstellen wie eine Nachricht, die in einer Seifenblase verschickt wird – wer sie berührt, zerstört sie. So lässt sich ein geheimer Schlüssel zwischen zwei Parteien austauschen, dessen Sicherheit nicht auf mathematischen Annahmen beruht, sondern auf den Naturgesetzen selbst.

Wofür?
Quantenkryptographie ist überall dort relevant, wo höchste Sicherheitsanforderungen gelten: in der Regierungskommunikation, im Finanzsektor, bei kritischer Infrastruktur und in der Verteidigung. Ein praktisches Beispiel: Banken könnten Transaktionsdaten zwischen Rechenzentren so übertragen, dass jeder Abhörversuch sofort auffällt. Besonders brisant wird die Technologie mit Blick auf Quantencomputer: Diese könnten künftig viele der heute verwendeten Verschlüsselungsverfahren brechen. Neben neuen mathematischen Verfahren, die dem standhalten sollen, bietet die Quantenkryptographie einen grundlegend anderen Schutzansatz – ihre Sicherheit beruht auf physikalischen Gesetzen, nicht auf der Schwierigkeit mathematischer Probleme.

Wie?
Das wichtigste Verfahren ist der Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution, QKD). Dabei werden einzelne Photonen – Lichtteilchen – zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht. Jedes Photon trägt eine Information, die in seinem Quantenzustand kodiert ist, etwa seiner Polarisationsrichtung. Versucht ein Angreifer, die Photonen abzufangen und zu messen, verändert er zwangsläufig ihren Zustand – denn Quantenzustände lassen sich weder kopieren noch messen, ohne sie zu beeinflussen. Sender und Empfänger können dies erkennen, indem sie einen Teil ihrer Messergebnisse vergleichen: Stimmen diese nicht überein, wurde die Leitung abgehört. Der so erzeugte Schlüssel wird anschließend für die eigentliche Verschlüsselung der Nachricht verwendet – mit klassischen Verfahren, aber unknackbarer Grundlage.

Ausblick:
Quantenkryptographie ist unter den Quantentechnologien vergleichsweise weit entwickelt: Kommerzielle QKD-Systeme sind bereits verfügbar, und erste Netzwerke – etwa in China und Europa – wurden in Betrieb genommen. Sogar satellitengestützte Quantenschlüsselverteilung wurde erfolgreich demonstriert. Dennoch bleiben Herausforderungen: Die Reichweite über Glasfasern ist auf etwa 100 Kilometer begrenzt, bevor das Signal zu schwach wird. Sogenannte Quantenrepeater, die das Signal verstärken könnten, befinden sich noch in der Entwicklung. Zudem müssen die Systeme günstiger und einfacher integrierbar werden – ohne dass an Schnittstellen neue Sicherheitslücken entstehen. Die Dringlichkeit wächst: Leistungsfähige Quantencomputer könnten künftig viele heutige Verschlüsselungsverfahren brechen – was Quantenkryptographie zu einem zentralen Baustein der digitalen Sicherheit von morgen macht.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1entwickelt hat.