QuNET

Anwendungs­szenarien der
»Quantum Key Distribution« (QKD)

Der Quantenschlüsselaustausch (engl. »Quantum Key Distribution«, kurz QKD) bildet den Ausgangspunkt für die Anwendung quantensicherer Kommunikation, wie sie im Rahmen der QuNET-Initiative erforscht wird. Hieraus werden in einem Strategieprozess die technologischen sowie sonstigen Forschungs- und Entwicklungsbedarfe abgeleitet.
Die QuNET-Initiative hat es sich zum Ziel gesetzt, zusammen mit staatlichen Behörden sowie der Privatwirtschaft belastbare Lösungen für eine quantensicherere IT-Infrastruktur vorzubereiten. Um konkrete Lösungen zu erarbeiten, werden drei Anwendungsszenarien als Ausgangspunkt genutzt und weiterentwickelt.
In allen drei Szenarien wird angestrebt, Verschlüsselung basierend auf »Post-Quanten-Kryptografie« (PQK) zu nutzen.

Die drei QKD-Anwendungsszenarien

Anwendungsszenario I

Im ersten Szenario wird eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung mittels QKD zwischen zwei Nutzern in jeweils einem Hochsicherheitsbereich aufgebaut.

Anwendungsfelder für Szenario I:

  • Kommunikation zwischen zwei Behörden z. B. für ausgewählte Videokonferenz-Leitung, Speicher für Dokumente mit Geheimhaltungscharakter oder für die Übertragung sensibler Daten mit langen Geheimhaltungsfristen
  • Kundennahe, individuelle Sonderanwendungen auf der Datenebene
  • Kopplung von zwei Rechenzentren, z. B. in Banken oder von privaten Firmen
  • Transnationale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen per Satellit

Anwendungsszenario II

Im zweiten Szenario werden Informationen für mehrere Zugangspunkte in jeweils einem Hochsicherheitsbereich (auch bekannt als »Multi-User-QKD«) mittels QKD Ende-zu-Ende-verschlüsselt. Dieses Szenario ist für komplexere Netze geeignet.

Anwendungsfelder für Szenario II:

  • Absicherung kritischer Infrastruktur sowie von Behördennetzen (mehr als zwei Behörden)
  • Absicherung des Management- und Control-Plane-Verkehrs der kritischen Infrastrukturen und von Kommunikationsnetzen der Telekommunikationsanbieter
  • Großkundenanwendungen auf der Data-, Management- und Control-Plane in Kommunikationsnetzen, z. B. in Stern-Architekturen, bei denen mehrere Rechenzentren bzw. Behörden miteinander verbunden sind, wobei ein Rechenzentrum bzw. eine Behörde das Zentrum bildet

Anwendungsszenario III

Im dritten Szenario werden Informationen in großen Multi-User-Netzen (sowie Leitungen zwischen mehreren Netzen) mittels QKD Ende-zu-Ende-verschlüsselt.
Visualisierung von Multi-User-Netzen.
Grafische Darstellung einer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung in Multi-User-Netzen.

Anwendungsfelder für Szenario III:

  • einzelne Mitarbeiter:innen bzw. Arbeitsgruppen innerhalb eines Hochsicherheitsbereichs oder einer Behörde (z. B. Schlüsseltankstellen)
  • Industrie und Behörden mit sehr großer Nutzerzahl (verstärkte Relevanz von Skalierbarkeit und Kosten)

Anwendungsszenarien über QKD hinaus

Über die Quantenschlüsselverteilung hinaus können Multi-User-Netze für allgemeine Zustandsübertragungen eingesetzt werden.
 
Damit liegen Anwendungspotenziale z. B. in folgenden Bereichen:

  • in der Vernetzung von Quantencomputern
  • in der Verteilung von Zeitstandards
  • in der Verbesserung von Positionierungssystemen und
  • in der sicheren und dezentralen Speicherung von Daten

Technische Anforderungen an QKD

Aus den oben beschriebenen Anwendungsszenarien der Quantenkommunikation leiten sich die folgenden technischen Anforderungen (A1-A8) als Grundvoraussetzungen für eine erfolgreiche Umsetzung ab:

  • A1. Anwendungsoptimierte Schlüsselrate / Nutzdatenrate
  • A2. Allgemeine Sicherheitsbetrachtung (inkl. Zertifizierung, Zulassung, hybride Verfahren)
  • A3. Praktikable Reichweite
  • A4. Interoperabilität, Nachrüstfähigkeit und Standardisierte Architektur (z. B. EuroQCI, beyond QKD) & Komponenten (z. B. Quanten-Repeater)
  • A5. Hohe Zustandsgüten in der Quantenzustandsübertragung
  • A6. Optimierte Hardware für QKD-Systeme & Quantenkanäle
  • A7. Effiziente & agile Netzwerktopologien
  • A8. Resilienz
Darüber hinaus werden im Rahmen von QuNET kontinuierlich weitere Forschungsfragen durch Partner:innen im QuNET-Innovationsökosystem identifiziert. Diese ergeben sich aus den stark interdisziplinären Projektarbeiten und werden fortlaufend aktualisiert und neu benannt.
Bei der Bewältigung dieser technischen Anforderungen spielen auch Basistechnologien eine zentrale Rolle. Diese sind in Deutschland bereits vielfach in hoher Qualität vorhanden, müssen jedoch noch anwendungsoptimiert, standardisiert und miniaturisiert werden.