Forschungsprojekt QuINSiDa: Quantenkryptographie und Li-Fi

FORSCHUNG & ENTWICKLUNG

Im Forschungsprojekt QuINSiDa wird unter Leitung der KEEQuant GmbH an einem Ansatz zur sicheren optischen Datenübertragung in drahtlosen Netzwerken mit Hilfe von Licht und Quantenschlüsseln gearbeitet. Gefördert wird das Ganze vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF mit einer Summe von 2 Mio. Euro.



Quantentechnologie eröffnet neue Anwendungsgebiete, birgt aber auch Risiken. So könnten Quantencomputer mit ihrer hohen Rechenleistung moderne Daten-Verschlüsselungsverfahren aushebeln. Deshalb soll im Projekt an Technologien zur drahtlosen Quantenkommunikation zwischen mehreren Geräten innerhalb eines Raumes geforscht werden. 

Beteiligte Projektpartner sind KEEQuant, das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Infosim, BESCom Elektronik und TELCO TECH.


Der Hintergrund

Neben Quantencomputern, Quantenbildgebung und Quantenuhren steht vor allem die Quantenkommunikation und die Quantenverschlüsselung für eine sichere und private Datenkommunikation im Fokus der Entwicklungen.

Dabei sollen klassische Verschlüsselungsansätze, die auf rechnerischer Komplexität beruhen, durch neuartige Quantenschlüsselverteilungs-Ansätze in Kombination mit Post-Quanten-Kryptographie ersetzt werden. Diese Art von Kodierung kann selbst mit beliebig viel Zeit und Rechenleistung nicht geknackt werden.

Da die existierende Kryptographie bereits in naher Zukunft durch die immer größere Rechenpower von Quantencomputer bedroht ist, sollen Lösungsansätze rechtzeitig entwickelt werden, um einer unsicheren Übergangszeit vorzubeugen.

Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf eine sichere Datenkommunikation über weite Strecken für Anwendungen in der globalen Dateninfrastruktur, zur Vernetzung von behördlichen oder militärischen Einrichtungen oder zum Informationsaustausch mit Satelliten. Die Verbindungen zum Endnutzer auf dem letzten Kilometer werden bislang jedoch noch immer mit den klassischen Technologien bedient und sind damit weiterhin angreifbar.

Um das zukünftig zu verhindern, wurde das Projekt »QuINSiDa – Quantenbasierte Infrastruktur Netze für Sicherheitskritische drahtlose Datenkommunikation« ins Leben gerufen. Das vom BMBF geförderte Projekt hat eine geplante Laufzeit vom 01.09.2022 bis 31.08.2025.


Verknüpfung von Li-Fi Technologie und Quantenkryptographie

Mit der Li-Fi-Technologie (Light Fidelity - Technologie zur drahtlosen Datenübertragung mittels Licht) können sich Nutzer über kurze Distanzen mittels optischer Signale miteinander vernetzen. Im Vergleich zur Wi-Fi-Technologie, die auf Funkwellen basiert, durchdringen die optischen Signale keine Wände und können so auf einen definierten Bereich ausgelegt werden. Damit erlaubt die Li-Fi-Technologie die volle Ausnutzung der verfügbaren spektralen Datenbandbreite in diesem Bereich ohne Störungen von außen.

Unabhängig davon wird die Technologie der Quantenkryptographie vorangetrieben. Hier geht um die Quantenschlüsselverteilung (OKD: quantum key distribution), welche es ermöglicht, einen kryptographischen Schlüssel zu verteilen, dessen Sicherheit informationstheoretisch bewiesen werden kann. Das steht in Kontrast zu bestehenden kryptographischen Verfahren, deren Sicherheit auf rechnerischer Komplexität beruht und durch aufkommende Quantencomputer gefährdet wird.


Bei der Quantenschlüsselverteilung …

werden beim Erzeugen der Schlüssel Quantenzustände in Form von Licht präpariert und zwischen den Teilnehmern im Netzwerk ausgetauscht. Beim Empfang der Quantenzustände werden diese gemessen und nachbearbeitet, so dass auf beiden Seiten identische, aber gegenüber einem Angreifer geheime Schlüssel entstehen. Das Vorhaben QuINSiDa kombiniert erstmals beide Technologien zu einem “QKD over Li-Fi"-System. Dies ermöglicht es die bisher typischerweise eher im Gebäude-zu-Gebäude-Szenario angedachte QKD auch bis zum Endnutzer zu tragen.

Ziel des Projekts …

ist die Demonstration eines quantenbasierten Datenkommunikations-Netzwerks, das drahtlos und flexibel mehrere Endnutzer an eine sichere Backbone-Infrastruktur anschließt oder separat als Campus-Netzwerk eingesetzt werden kann.

Dabei soll unter Nutzung eines flexiblen drahtlosen Datenkommunikationsnetzwerks im Punkt zu Multipunkt Szenario eine gleichzeitige Absicherung der einzelnen Kommunikationskanäle auf Basis von Quantenschlüsseln gewährleistet werden.

 
Sicherer Schlüsselaustausch

Die Nutzung eines optischen Kommunikationsnetzwerkes bietet im Gegensatz zu funkbasierten Ansätzen den Vorteil, dass jeder Teilnehmer, der sich im optisch drahtlosen Kommunikationskanal (Li-Fi Kanal) anmeldet auch für den Quantenkanal sichtbar ist. Damit ist sichergestellt, dass es auch zu einem sicheren Schlüsselaustausch kommen kann. Um den Li-Fi Kanal und den Quantenkanal voneinander zu trennen werden dabei unterschiedliche Wellenlängen des Lichts verwendet. Diese Trennung lässt sich durch den Empfänger mittels einer entsprechenden optischen Filterung gegen Interferenzeinflüsse optimieren.

Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten

Der Ansatz soll von den Projektpartnern vor allem im Hinblick auf sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. die Ausstattung öffentlicher Versorgungseinrichtungen, wie Banken, Krankenhäuser, Energieversorger, öffentliche Dienste, Telekommunikationsknoten und Regierungseinrichtungen, untersucht werden.

Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die Sicherheit des Gesamtsystems bei gleichzeitiger, interdisziplinärer Integration von Netzwerk-Management-Software, klassischer Kryptographie (Post-Quanten-Kryptographie), QKD-Technologie und Li-Fi-Technologie gelegt.

Am Ende des Projekts ist eine entsprechende Demonstration des Gesamtsystems geplant, welche die Technologien im Verbund zusammenführen soll und damit bisher unerforschte und unerreichte Anwendungsfälle ermöglich kann.

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