Quantencomputer werden in den nächsten Jahren durch ihre hohe Leistungsfähigkeit viele neue Anwendungen in Forschung und Entwicklung eröffnen. In den falschen Händen können diese Hochleistungsrechner aber auch bewährte Methoden zum Schutz sensibler Daten erfolgreich angreifen. Quantencomputer werden in der Lage sein, heute verwendete Verschlüsselungen zu brechen. Das stellt die IT-Abteilungen von Behörden und Betreibern kritischer Infrastrukturen vor große Herausforderungen.
Mit DE-QOR hat das BMBF im Januar 2022 ein dreijähriges Projekt zur Entwicklung und Erprobung innovativer Verfahren zum Schutz sensibler Informationen gestartet. Am 27. März 2025 wurden die Ergebnisse im Rahmen einer Festveranstaltung mit Vorträgen und Demonstrationen von den beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen vorgestellt.
Quantencomputer gefährden Informationssicherheit
Leistungsfähige kryptographische Algorithmen können große Datenmengen schnell und effizient verschlüsseln und so vor unerwünschtem und unberechtigtem Zugriff schützen. Zur Entschlüsselung wird der gleiche Schlüssel benötigt, der auch zur Verschlüsselung verwendet wurde. Dieser Schlüssel muss geheim gehalten und sicher zwischen den Orten der Ver- und Entschlüsselung ausgetauscht werden. Für diesen Schlüsselaustausch gibt es verschiedene mathematische Verfahren, die jedoch von Quantencomputern geknackt werden können. Das Aufkommen von Quantencomputern erfordert daher eine Migration der heute verwendeten Schlüsselaustausch Verfahren hin zu quantensicheren Algorithmen.
Quanten-basierter Schlüsselaustausch
Die Gesetze der Quantenphysik, die den Bau von Quantencomputern ermöglichen, bieten auch einen interessanten Ansatz zum Schutz geheimer Schlüssel. Quantenzustände können nur einmal gemessen werden und ändern danach ihren Wert. Hat sich ein Angreifer Zugang zum quantenbasierten Schlüsselaustausch verschafft, kann dies vom legitimen Nutzer erkannt werden. Die Übertragung von digitalen Schlüsseln mittels Quanten ermöglicht die absolut zuverlässige Erkennung von Abhörversuchen. Der quantenbasierte Schlüsselaustausch (engl. Quantum Key Distribution, QKD) wird seit einigen Jahren intensiv erforscht. Der kommerzielle Einsatz scheiterte bisher an technischen und regulatorischen Hürden. Im Projekt DE-QOR werden neue Technologien entwickelt und erprobt, um diese zukunftsweisende Sicherheitstechnologie auch in kostensensitiven, urbanen Netzen einsetzen zu können.
Mit DE-QOR sicher verschlüsseln
Im Projekt DE-QOR arbeiten Forschungseinrichtungen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und der Leibniz Universität Hannover gemeinsam mit den Technologieunternehmen Adva Network Security, Creonic und Microwave Photonics an einer innovativen Lösung. Im Gegensatz zu vergleichbaren Ansätzen wird dabei großer Wert auf einen offenen und modularen Systemansatz gelegt, aus dem sich eine deutliche Vereinfachung bei der Implementierung in bestehende und zukünftige Systeme, aber auch Vorteile bei der notwendigen Zertifizierung ergeben. Durch die Modularisierung werden Technologiebausteine gebildet, die als standardisierte Komponenten von spezialisierten Herstellern produziert werden können. Dieser Systemansatz stellt einen wichtigen Schritt zur Kommerzialisierung dieser Sicherheitstechnologie dar und ist damit zielführend für den Einsatz auch in kostensensitiven Anwendungen.
Richtungsweisende Ergebnisse [dieser Teil wird am 27. März eventuell überarbeitet]
Am 27. März wurden an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München die Ergebnisse von DE-QOR im Rahmen einer Festveranstaltung dem Projektträger VDE/VDI-IT vorgestellt und in einer eindrucksvollen Demonstration vorgeführt. Mit dem im Projekt entwickelten QKD-System wurden über eine verlegte Glasfaser Schlüsselinformationen ausgetauscht. Daraus lassen sich an den Endpunkten der Übertragungsstrecke quantensichere Schlüssel ableiten, die zur Ver- und Entschlüsselung der Nutzdaten verwendet werden. Mit der gemeinsamen Lösung von Adva Network Security, Creonic und Microwave Photonics und in Unterstützung durch die Forschungseinrichtungen KIT, LMU und LHU ist es gelungen, diese Funktionen in modulare Komponenten zu integrieren und damit die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Umsetzung zu schaffen.
Die LMU und die LUH beschäftigten sich mit Zufallsgeneratoren, die aufgrund von Quanteneffekten nicht vorhersagbare Zahlen liefern und damit die Vorhersagbarkeit von Schlüsseln vollständig ausschließen. Um Fehler bei der Quantenübertragung zu eliminieren, hat das KIT fehlerkorrigierende Algorithmen entwickelt, die von Creonic mit hochintegrierten Schaltkreisen realisiert wurden. Microwave Photonics entwickelte den Quantenempfänger, der von Adva Network Security zusammen mit der Verarbeitung der QKD-Schlüssel und quantensicheren Kryptografie im Demonstrator integriert wurde.
In Vorträgen der Projektbeteiligten wurden die Vorteile des Lösungsansatzes von DE-QOR dargestellt und insbesondere die Bedeutung für die Kommerzialisierung dieser Technologie und den Einsatz auch in kostensensiblen Netzbereichen betont. Ein Beitrag des BWI gab einen Einblick in die Anforderungen aus Anwendersicht und unterstrich damit die praktische Bedeutung von DE-QOR.
Ausblick
DE-QOR ist eines von mehreren vom BMBF geförderten Projekten zur Quantensicherheit. In DE-QOR wurden primär technologische Aspekte der Implementierung untersucht und eine zukunftsfähige Architektur entwickelt und erprobt. In den Partnerprojekten SQaaD, DemoQuanDT und QuNET werden weitere Aspekte dieser Technologie evaluiert und Lösungen im praktischen Einsatz erprobt. Diese Maßnahmen des BMBF stellen sicher, dass deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen eine führende Position in dieser wichtigen Zukunftstechnologie der Cybersicherheit einnehmen.
Dieser Beitrag ist eine Anzeige der Adva Network Security GmbH. Autor ist Tobias Fehenberger, Director of R&D.
