Quantenquelle im All soll für sichere Kommunikation sorgen

Eine Kodierung mit verschränkten Photonen soll künftig für sichere Kommunikation sorgen. Das Ziel ist es, einen Satelliten mit einer Quantenquelle in den Erdorbit zu schicken.

Das gängige Verschlüsselungsverfahren durch die Quantencomputer an Sicherheit einbüßen werden, ist an Encryption-Stammtischen ein durchaus diskutiertes Thema. Mit der wachsenden Rechenleistung von Rechnern wird das Entschlüsseln mathematisch kodierter Nachrichten einfacher. Eine Alternative sei die Verschlüsselung auf Basis eines physikalischen Prinzips, wie bei der Quantenverschränkung. Die hierfür notwendigen verschränken Lichtquanten werden von einer Quantenquelle erzeugt. Ein Fraunhofer-Forschungsteam hat eine Quantenquelle entwickelt, die robust genug ist für den Einsatz im Weltraum. Von dort sendet sie die verschränkten Lichtquanten von einem Satelliten aus zur Erde. Dort dienen diese der sicheren Schlüsselverteilung bei der Verschlüsselung von Daten.

Die von Forschern vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entwickelte Quantenquelle habe die Stresstests nach den Kriterien der European Space Agency (ESA) überstanden und würde auch damit einen Raketenstart aushalten. Das Ziel sei es, in etwa vier Jahren den ersten europäischen Quantensatelliten ins All zu schicken. Die kompakte Quantenquelle, die Forscher sprechen von einer Größe einer „Brotbox“, habe bei den Tests einiges über sich ergehen lassen müssen. So etwa abrupte Temperaturschwankungen von minus 40 bis plus 60 Grad sowie Kälte und Hitze unter Vakuumbedingungen.

Verschlüsselung per Quantenverschränkung

Bei der Quantenverschränkung erfolgt die Verschlüsselung mithilfe eines physikalischen Prinzips. Es werden zwei Zwillingsphotonen erzeugt, die im Hinblick auf bestimmte Quantenzustände miteinander verschränkt sind. Dies bedeutet, sie sind voneinander abhängig. Misst man nun die Polarisation des einen Photons, sei automatisch die Polarisation des Zwillingsphotons bekannt. Dieser Effekt würde unabhängig von der Entfernung der beiden Photonen zueinander funktionieren. Hierauf aufbauend könnten Schlüssel erzeugt werden, bei denen Sender und Empfänger sofort erkennen könnten, ob Dritte versucht haben diese zu manipulieren oder abzuhören. Damit wäre diese Kommunikation abhörsicher.

Quantenquelle im All soll für sichere Kommunikation sorgen
Abbildung 1. Die kompakte Quantenquelle wurde von einem Fraunhofer-Forschungsteam entwickelt und soll von einem Satelliten aus der sicheren Schlüsselverteilung bei der Verschlüsselung von Daten dienen.

Die von den Fraunhofer-Forschern entwickelte Quantenquelle kann mit Hilfe eines nichtlinearen Kristalls, auf den ein Laserstrahl trifft, 300.000 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde erzeugen. Die beiden Photonen besitzen, wie beschrieben, eine miteinander verschränkte Polarisation, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Wenn jemand Unbefugtes eingreift, zerfällt die Verschränkung und der Zugriff sei nachweisbar.

Die Verteilung der Photonen erfolge per Satellit. Eine Distribution per Freistrecke durch die Luft oder über Glasfaser sei in der Entfernung begrenzt, da die Turbulenzen der Atmosphäre oder die Dämpfung der Glasfaser die Verschränkung stören würden. „Die größten Herausforderungen dabei waren die Stabilität sowie die Leistungsfähigkeit der Quantenquelle“, erklärt Dr. Oliver de Vries, Projektverantwortlicher beim Fraunhofer IOF. „Denn durch die Passage durch die Erdatmosphäre ist die Verlustrate hoch. Darum gilt es, so viele verschränkte Zwillingsphotonen wie möglich zu erzeugen, damit maximal viele davon auch bei den Kommunikationspartnern auf der Erde ankommen.“

Die Kommunikationspartner müssen die Lichtteilchen zum Beispiel mit einem Teleskop empfangen. Dieses müsste wiederum in die IT-Struktur eingebunden werden. Bis die Technologie tatsächlich zur Anwendung komme, müsse daher noch die nötige Infrastruktur zum Austausch der Schlüssel geschaffen werden. Die Forscher gehen von einem Zeitraum von drei bis fünf Jahren aus, bis die Quantenverschlüsselung zur Anwendung komme. Die Technologie stoße bereits bei Banken und Regierungsorganisationen auf großes Interesse.

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