Quantenkryptographie verschlüsselte erstmals "abhörsicher" Daten

8. Oktober 2008, 12:23
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Technologie ermöglicht sichere Kommunikation in Glasfasernetzen - Projekt "SECOQC" wurde vorgestellt

Wissenschaftler haben am Mittwoch in Wien erstmals gezeigt, wie Daten in einem kommerziellen Glasfasernetz mit der sogenannten Quantenkryptografie "prinzipiell" abhörsicher übertragen werden können. Das Verfahren wurde im Rahmen des Projekts "SECOQC" von einem internationalen Wissenschafterkonsortium unter der Leitung der Austria Research Centers (ARC) entwickelt und nun der Öffentlichkeit präsentiert.

Naturphänomene als Garant für Abhörsicherheit

Auf Basis der Quantenphysik werden Datenschlüssel erzeugt und weitergeleitet. Wie die Forscher betonen seien so verschlüsselte Nachrichten absolut abhörsicher. Diese Abhörsicherheit ergebe sich aus der Tatsache, dass die Technologie nicht auf mathematischen Berechnungen, sondern auf den naturwissenschaftlichen Eigenschaften der Quanten basiere.

Netzwerk zwischen Wien und St. Pölten

Das prototypische Netzwerk, das im Glasfasernetz von Siemens installiert wurde, besteht aus sechs Knotenpunkten, die mit acht Links verbunden sind. Dabei wurden sieben Glasfaserkabel zwischen 6 km und 85 km Länge sowie ein sogenannter Free-Space-Link mit direkter Sichtverbindung zwischen zwei Teleskopen errichtet, die verschiedene Standorte in Wien und St. Pölten miteinander verbinden.

Mehrere Methoden

Die Technologie kann nicht nur in bestehende Glasfaserinfrastrukturen integriert werden, sondern ermöglicht auch den Einsatz unterschiedlicher quantenkryptografischer Systeme. Zum Erzeugen der Schlüssel werden im Demonstrations-Netzwerk insgesamt sechs Technologien verwendet, die sich in der Methode unterscheiden, wie aus den Photonen Datenschlüssel erzeugt werden.

"Spukhafte Fernwirkung"

Eine dieser Technologien basiert auf dem Prinzip der sogenannten verschränkten Photonen, an denen der am Projekt beteiligte Experimentalphysiker Anton Zeilinger von der Universität Wien bereits seit Jahren forscht. Dabei werden mithilfe eines speziellen Kristalls Lichtstrahlen aufgespalten, sodass Photonen-Paare mit exakt den gleichen Eigenschaften entstehen. Albert Einstein nannte das Phänomen der Verschränkung noch die "spukafte Fernwirkung".

Photonen messen

Ein Photon verbleibt beim Sender der Nachricht, das andere wird zum Empfänger verschickt. Mithilfe der Photonen können einmalige Schlüssel mit einer absolut zufälligen Abfolge von Nullen und Einsen erzeugt werden. Um die Nachricht zu entschlüsseln müssen Sender und Empfänger den Zustand der Photonen messen. Nach der Nachbearbeitung der Messergebnisse verfügen alle beteiligten Partner über identische Datenschlüssel.

Lauscher werden sofort entdeckt

Wird nun von einem Hacker versucht, den Datenfluss abzuhören, kommt das ebenfalls einer Messung des Photons gleich und wird im Netzwerk registriert. Angriffe werden anhand einer Fehlerrate gemessen. Liegt diese Rate unter einem bestimmten Schwellenwert, war der Angriff zu schwach, um das System zu stören. Der erzeugte Datenschlüssel kann ohne Abbruch, allerdings mit geringerer Geschwindigkeit weiter verteilt werden.

Übersteigt die Fehlerrate den Schwellenwert, wird die Übertragung unterbrochen. In einem Netzwerk mit nur einer Verbindung käme es dann zu einem kompletten Abbruch der Schlüsselerzeugung. Bei mehreren Verbindungen kann auf eine andere ausgewichen werden.

Weitere Verfahren

Daneben können aber auch andere Verfahren zur Erzeugung von Schlüsseln angewandt werden, etwa "schwache Laserpulse". Dabei kann die in den Photonen steckende Information - beispielsweise die Schwingungsebene - nur einmal ausgelesen werden. Aber auch in diesem Fall wird die Datenübertragung beim Versuch, einen Schlüssel zu lesen, gestört. Die Hardware zum Erzeugen der Photonen ist dabei an den Knotenpunkten des installiert.

Verschlüsselte VoIP-Telefonate

Für die Demonstration im Siemens Forum wurden VoIP-Telefonate mit dem sogenannten "one-time-pad"-Verfahren verschlüsselt. Dabei handelt es sich um die derzeit einzige Methode für abhörsichere Kommunikation, bei der Datenschlüssel zum Einsatz kommen, die ebenso lange sind wie die vertrauliche Nachricht.

Eingeschränkte Möglichkeiten

Derzeit ist der Einsatz von Quantenkryptografie für die Verschlüsselung von Kommunikation noch an Grenzen gebunden. So beträgt die maximale Reichweite der Übertragung von Photonen über eine Glasfaserverbindung derzeit etwa 100 km. Außerdem können nur Datenraten von etwa 100 kb/s verschlüsselt übertragen werden. Doch das seien technologische Grenzen, wie Zeilinger im Rahmen der Präsentation versichert. Vor zehn Jahren hätte er sich noch nicht vorstellen können, dass eine derartige Demonstration möglich sei. Er zeigte sich zuversichtlich, dass man derartige Herausforderungen noch meistern werde.

Auch zur Datenverschlüsselung auf Festplatten

Als Einsatzgebiete für die Quantenkryptografie kommen alle Bereiche in Frage, in denen es darum geht, Daten zu verschlüsseln. Das sei nicht nur auf Datenübertragungen in einem Netzwerk beschränkt, sondern könne auch für die Verschlüsselung von Dateien auf einem Computer genutzt werden. Zeilinger ist sich sicher, dass in Zukunft ein Großteil der gesamten IT auf Quanteninformationen basieren werde.

Erste Produkte in drei Jahren

Noch handelt es sich beim Siemens-Netzwerk um einen Prototypen. Die ersten Produkte und Dienstleistugen könnten aber bereits in drei bis vier Jahren angeboten werden, erklärte Siemens Österreich-CEO Brigitte Ederer. Das liege neben der technologischen Einschränkungen auch noch am derzeitigen Preis. Eine mit Quanten verschlüsselte Punkt-zu-Punkt-Verbindung koste derzeit etwa 100.000 Euro. Diese Kosten sollen in Zukunft auf 10.000 Euro gesenkt werden, um marktreife Produkte hervorbringen zu können.

Grundlagenforschung für die Wirtschaft

Ederer und Zeilinger sehen in dem Projekt außerdem ein gutes Beispiel, wie Grundlagenforschung für die Wirtschaft genutzt werden könne. Früher habe es oft geheißen, dass Quantenforschung nichts bringe, so Zeilinger. Dass sich daraus einmal eine solche Technologie entwickeln werde, sei nicht absehbar gewesen. Zeilinger sieht darin auch ein Signal an Regierungen, dass Forschung nicht von Anfang an unmittelbar einen Zweck erfüllen müsse. Der Nutzen erschließe sich oft erst nach Jahren.

Der Live-Demonstration im Wiener Siemens Forum ging einer viereinhalbjährige Forschungsarbeit von 41 Partnern aus zwölf Ländern unter der Leitung des Austrian Research Centers voraus. Die EU unterstützte das Projekt mit 11,4 Millionen Euro. (APA/br)

Link

SECOQC

  •  Anton Zeilinger und Siemens-Chefin Brigitte Ederer bei der Präsentation des Projektes

    Anton Zeilinger und Siemens-Chefin Brigitte Ederer bei der Präsentation des Projektes

  • Die mit Hilfe von Quanten verschlüsselten Daten wurden in einem Prototyp-Netzwerk in der bestehenden Glasfaserinfrastruktur von Siemens übertragen

    Die mit Hilfe von Quanten verschlüsselten Daten wurden in einem Prototyp-Netzwerk in der bestehenden Glasfaserinfrastruktur von Siemens übertragen

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