Mit Quantenphysik: Erlanger Forschern gelingt Revolution in der Kommunikation

Erlangen - Wie lassen sich Daten sicher verschlüsseln? Das Erlanger Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts arbeitet mittels Quantenkryptografie an einem speziellen Verfahren, das Hackerangriffe in Zukunft unmöglich machen soll. Einen ersten Versuch gab es im Bundesforschungsministerium in Bonn.

Im Arbeitsalltag ist seit Beginn der Corona-Pandemie die Videokonferenz nicht mehr wegzudenken. Arbeitnehmer und Arbeitgeber konferieren virtuell, wichtige Entscheidungen werden seit Monaten meist vor einem Bildschirm getroffen. Mit der steigenden Nutzung der Video-Plattformen kam auch die Frage nach deren Sicherheit auf. Auch werden immer mehr sensible Daten digital gespeichert. Dass gerade der Datenverkehr in der kritischen Infrastruktur von Behörden, Gesundheits- oder Finanzwesen sicher verschlüsselt und vor Cyberangriffen geschützt werden muss, zeigt das Beispiel aus dem Landkreis Anhalt-Bitterfeld in Sachsen-Anhalt. Nach einem Hackerangriff auf die Computersysteme im Juli konnten die Behörden wochenlang keine Sozialhilfe und Kindergeld mehr ausbezahlen.

Quantentechnologie als Schlüssel der Zukunft

Wie Datensouveränität in Zukunft gewährleistet werden kann, zeigt die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Initiative QuNet, an der das Erlanger Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) beteiligt ist, anhand eines Versuchs im August.

Eigentlich sah alles wie eine gewöhnliche Videokonferenz aus. Vor dem Bildschirm Forschungsministerin Anja Karliczek im Ministeriumsgebäude in Bonn, hinter dem Bildschirm, nur wenige hundert Meter entfernt, Vertreter des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI). Das Besondere: Die beiden Behörden kommunizierten erstmals quantengesichert und damit langfristig geschützt - eine Revolution in der Kommunikation.

Dr. Christoph Marquardt ist Physiker am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts aus Erlangen und leiter der Forschungsgruppe, die sich mit der Quantenmechanik beschäftigt.  © Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Christoph Marquardt, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts aus Erlangen, war in Bonn mit dabei und erklärt, ebenfalls via Videokonferenz, warum die Quantentechnologie der Schlüssel zur sicheren Kommunikation in der Zukunft ist: "Die Verschlüsselung einer normalen Videokonferenz basiert auf komplexen mathematischen Problemen. Durch den technischen Fortschritt kann es allerdings schon in zehn Jahren soweit sein, dass leistungsfähige Quantencomputer die gängigen Verschlüsselungsverfahren knacken können. Gerade die Quantenphysik kann aber auch helfen, selbst dann Informationen zu schützen."

Gerade in der kritischen Infrastruktur müssen sensible Daten mehrere Jahrzehnte, quasi "ein Leben lang" geschützt werden - eine technische und organisatorische Herausforderung. "Wir müssen also schon jetzt die digitalen Gefahren, die in zehn Jahren oder später auftauchen können, minimieren und ein anderes Verfahren etablieren", so Marquardt.

Die Technik hinter QuNet: Da die Daten mithilfe von Laserlicht entweder über Glasfasern oder direkt durch die Luft übertragen werden, trägt das Team während der Videokonferenz Laserschutzbrillen, um die Augen zu schützen. Die Brillen sind Vorschrift, wie ein Helm auf der Baustelle. © Fraunhofer IOF

Im Rahmen der QuNet-Initiative beschäftigt er sich mit den Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), dem Heinrich-Hertz-Institut (HHI) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit einem neuen Ansatz: der Quantenkryptografie mittels Licht. Konkret werden zwischen den beiden kommunizierenden Parteien mit Lichtteilchen, sogenannte Photonen, geheime Schlüssel erzeugt. Versuchen Dritte mitzuhören, so fällt das sofort auf. Je nach Distanz werden die Photonen über verschiedene Kanäle wie Glasfaser oder Satelliten geschickt.

Langzeitsicherheit der Daten mit Hilfe von Photonen

Versucht ein Angreifer von außen auf diese Schlüssel zuzugreifen, werden die Lichtteilchen manipuliert - Sender und Empfänger können diese Manipulation nachweisen und den Abhörversuch schnell verhindern. Der alte Schlüssel wird verworfen und ein neuer erzeugt. "Mit diesem System können wir eine Langzeitsicherheit der Daten herstellen. Anders als bei mathematischen Problemen kann bei der Quantenkryptografie sogar abgeschätzt werden, wie viele Informationen ein Angreifer maximal erhalten hat", erklärt Marquardt.

Die erfolgreiche Videokonferenz zwischen den beiden Behörden war dabei nur der Start. "Am Ende möchten wir die Technologie entwickeln mit denen ganze Netze gesichert werden können, wie die Netze des Bundes oder der Deutschen Telekom", so Marquardt. Das Ziel der QuNet-Initiative, die auf sieben Jahre ausgelegt ist, ist, "dass man die Industrie befähigt, Quantenkryptografie-Systeme herzustellen, die in der Masse einsatzbereit sind", so Marquardt. In 10 bis 20 Jahren könnte dann auch ein weiterer Schritt möglich sein: Die Quantenkommunikation dazu zu benutzen zukünftige Quantencomputer miteinander zu vernetzen.