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Sicherheit im digitalen Zeitalter
Quantenkommunikation auf dem Vormarsch
Ein Fachbeitrag von Prof. Dr. Thomas Hühn, Hochschule Nordhausen.
Prof. Dr. Thomas Hühn | Foto: Paul-Philipp Braun
Die Notwendigkeit von Quantenkommunikation
Die steigende Nachfrage nach digitalen Kommunikationsnetzen mit höherer Bandbreite und dichteren Netzwerken erfordert effiziente und sichere Kommunikationskanäle. Die gegenwärtige Infrastruktur ist anfällig für Hacker-Angriffe und benötigt dringend Verbesserungen. Die Netzinfrastruktur von Internetdienstanbietern (ISP) ist aufgrund mangelnder Sicherheitstechnologien nicht in der Lage, eine garantierte und akzeptierte Sicherheit bei der Datenübertragung, kryptografischen Schlüsselverteilung und Zufallszahlengenerierung zu gewährleisten. In einer zunehmend digitalisierten Gesellschaft ist die Sicherheit von Kommunikationssystemen jedoch von entscheidender Bedeutung.
Quantenkommunikation ist eine zukunftsweisende Schlüsseltechnologie
Der digitale Fortschritt, insbesondere die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD), ermöglicht den Übergang von mathematischen kryptografischen Methoden zur garantierten Sicherheit durch grundlegende physikalische Prozesse der Quantenmechanik. Trotzdem werden solche Anwendungen der Quantenkommunikation in den bestehenden Telekommunikationsnetzen noch nicht ausreichend genutzt. Die Integration und langfristige Stabilität solcher Technologien erfordern einen effizienten Technologietransfer, insbesondere bei der Nutzung von temperatur- und windlastabhängigen Glasfaserstrecken über Freileitungen, die in IKT-Providernetzen üblich sind.
Quantenkommunikation: Made in Thüringen
Auf europäischer Ebene wird derzeit eine Quantenkommunikationsinfrastruktur (EuroQCI) etabliert, die sich über die gesamte EU erstreckt. Die Hochschule Nordhausen wirkt in zwei europäischen Forschungsprojekten im Bereich Quantenkommunikation mit, die unterschiedliche Zielrichtungen verfolgen: Das Projekt Q-Fiber hat das technologische Ziel, die mit heutiger klassischer Technologie notwendige parallele Quanten-Fiber-Infrastruktur auf einer gemeinsamen IKT und QKD-Fiber zu vereinen, indem Hohlkernfasern statt klassischer Single Mode Faser zum Einsatz kommen, mit grundlegend unterschiedlichen Materialeigenschaften. Q-Fiber konzentriert sich bei der wissenschaftlichen Analyse auf die physikalische Ebene neuer Hohlkernfasern sowie deren Ausbringung im Betrieb und deren Performance.
Demgegenüber setzt das Projekt Q-net-Q auf die klassische Single Mode Fiber Infrastruktur für QKD und für IKT Datenübertragung. Dabei konzentriert sich das Projekt auf die Integration und das Management von QKD Komponenten in vorhandene Internet-Infrastrukturen. Das beinhaltet auch das Schnittstellendesign für den Multi-User-Schlüsselaustausch und ein offenes standardisiertes IKT-Netzwerkmanagement. Das Projekt Q-net-Q ist ein EU-gefördertes Verbundforschungsprojekt mit nationaler Kofinanzierung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, das unter Leitung der Hochschule Nordhausen und mit Beteiligung des Fraunhofer IOF durchgeführt wird. Das Fördervolumen beträgt 11,8 Millionen Euro. Der Startschuss für die Förderung fiel am 1.3.2023.
Erfurt als Knotenpunkt für Quantenkommunikation | Foto: Q-net-Q
Sicherheit in der Kommunikation
Die Quantenkommunikationstechnologie wird bei Q-net-Q genutzt, um einen zuverlässigen und sicheren Kommunikationskanal zwischen verschiedenen Einrichtungen wie Behörden, kritischen Infrastrukturen, dem Militär und öffentlich genutzten Infrastrukturen wie E-Health, Datenzentren und herkömmlichen Kommunikationsnetzen aufzubauen. Das Projekt hat zwei Hauptziele: Erstens, die Integration von Quantenkommunikation (QKD) in bestehende deutsche Internetstrukturen und zweitens, die Entwicklung von Anwendungsfällen für QKD in verschiedenen Szenarien.
In Bezug auf die wissenschaftlichen Aspekte des Projekts wird untersucht, wie verschiedene Protokolle neben QKD in Hardware und Software implementiert werden können, um den Feldversuch flexibler zu gestalten. Es werden auch Schnittstellen und Standards erforscht, um QKD-Hardware sicher in bestehende IKT-Kommunikationsnetze zu integrieren.
Das Projekt umfasst vier verschiedene Feldversuche, die verschiedene Anwendungsfälle von QKD in städtischen und ländlichen Gebieten sowie in Rechenzentren abdecken. Es wird auch eine Langstreckenverbindung zwischen Berlin und Frankfurt untersucht, um die Sicherheit des Internet-Routings zu verbessern.
Der konkrete Anwendungsfall
Ein konkreter Anwendungsfall der Quantenkommunikation ist ebenfalls bereits ausgemacht: Da viele ländliche Gebiete häufig unter einem erheblichen Mangel an (Fach-)Ärztinnen und Ärzten leiden, kann ein schnellerer und vertraulicher Austausch von Patientendaten zwischen städtischen und ländlichen Regionen die medizinische Versorgung künftig nicht nur bequemer und effizienter gestalten, sondern im Ernstfall sogar Leben retten. In diesem Zusammenhang wird die Gemeinde Sundhausen in Thüringen als beispielhafte ländliche Region an die neue Glasfaser-Teststrecke angeschlossen.
Die ersten praktischen Anwendungsfälle für den neuen Streckenabschnitt zwischen Sundhausen und dem Universitätsklinikum Jena konzentrieren sich einerseits auf die Nachbetreuung von Post-COVID-Patienten nach einem stationären Klinikaufenthalt und andererseits auf die neurologische Früherkennung durch digitale Tests, wie beispielsweise die Erkennung von Demenz.
