Es wurde ein neues Kommunikationssystem entwickelt, um symmetrische Schlüssel zwischen Parteien auszutauschen, um Nachrichten zu verschlüsseln, damit sie nicht von Dritten gelesen werden können. Forschern um Physikprofessor Thomas Walther ist es in Zusammenarbeit mit der Deutschen Telekom gelungen, ein Quantennetzwerk zu betreiben, das in der Anzahl der Nutzer skalierbar und gleichzeitig robust ist, ohne dass vertrauenswürdige Knoten erforderlich sind. Solche Systeme könnten künftig kritische Infrastrukturen vor der wachsenden Gefahr von Cyberangriffen schützen. Außerdem könnten in größeren Städten abhörsichere Verbindungen zwischen verschiedenen Regierungsstellen installiert werden.
Das von den Darmstädter Forschern entwickelte System ermöglicht den Austausch von Quantenschlüsseln und versorgt mehrere Parteien in einem sternförmigen Netzwerk mit einer gemeinsamen Zufallszahl. Einzelne Lichtquanten, sogenannte Photonen, werden im Kommunikationsnetz an Nutzer verteilt, um die Zufallszahl und damit den digitalen Schlüssel zu berechnen. Aufgrund quantenphysikalischer Effekte sind diese Schlüssel besonders sicher. Auf diese Weise wird die Kommunikation hochgradig geschützt und bestehende Lauschangriffe können erkannt werden.
Bisher sind solche Quantenschlüsselverfahren technisch aufwendig und empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Das System der Darmstädter Gruppe aus dem Sonderforschungsbereich CROSSING basiert auf einem speziellen Protokoll. Das System verteilt Photonen von einer zentralen Quelle an alle Benutzer im Netzwerk und stellt die Sicherheit der Quantenschlüssel durch Quantenverschränkung her. Dieser quantenphysikalische Effekt erzeugt Korrelationen zwischen zwei Lichtteilchen, die auch weit voneinander entfernt beobachtbar sind. Die Eigenschaft des Partnerteilchens kann vorhergesagt werden, indem eine Eigenschaft des Lichtteilchens von einem Paar gemessen wird.
Als Eigenschaft wird häufig die Polarisation verwendet, die jedoch bei den zur Übertragung verwendeten Glasfasern typischerweise durch Umwelteinflüsse wie Vibrationen oder kleine Temperaturänderungen gestört wird. Allerdings nutzt das Darmstädter System ein Protokoll, bei dem die Quanteninformation in Phase und Ankunftszeit der Photonen kodiert ist und ist daher besonders unempfindlich gegenüber solchen Störungen. Mit diesem robusten Protokoll ist es der Gruppe erstmals gelungen, einem Netzwerk von Nutzern Quantenschlüssel zur Verfügung zu stellen.
Die hohe Stabilität der Übertragung und die prinzipielle Skalierbarkeit wurden gemeinsam mit der Deutschen Telekom Technik GmbH in einem Feldtest erfolgreich demonstriert. Als nächsten Schritt planen die Forscher der TU Darmstadt, weitere Gebäude der Stadt an ihr System anzubinden. Die Forschung ist veröffentlicht in PRX Quantum.
Erik Fitzke et al, Scalable Network for Simultaneous Pairwise Quantum Key Distribution via Entanglement-Based Time-Bin Coding, PRX Quantum (2022). DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.020341