QuNET

Expertise und Synergien der QuNET-Partner:innen

Um die Ziele der QuNET-Initiative zu erreichen, sind sowohl wissenschaftliche Exzellenz als auch technologisches Know-how erforderlich. Die vier Kerninstitute der QuNET-Initiative – Fraunhofer IOF, Fraunhofer HHI, MPL und DLR-IKN – sind bereits in eine Vielzahl von Forschungsprojekten eingebunden, die sich mit unterschiedlichen Aspekten der Quantenkommunikation beschäftigen.
Sie verfügen somit einerseits über aktuelles Wissen, um wissenschaftliche Fragestellungen auf höchstem Niveau zu bearbeiten. Andererseits bieten die Kerninstitute wichtige Anknüpfungspunkte zu weiteren einschlägigen Partner:innen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie zu staatlichen Behörden. Beispielhaft seien hier die folgenden Projekte genannt: UniQorn, QUARTZ, HQS, CiViQ, Q.Link.X, QUBE, OpenQKD, QSource. Durch diverse Projekte bestehen außerdem bereits relevante Anknüpfungspunkte zu Faser- und Satellitennetzbetreibern sowie Expert:innen der Sicherheitsbranche.

Dennoch gilt: Gemeinsam ist man stärker! Die vier Kerninstitute der QuNET-Initiative decken viele notwendige Expertisen hin­sichtlich der »Quantum Key Distribution« (QKD) ab, jedoch nicht alle. Deutsch­lands starke und anwendungsorientierte Forschungs­community ebenso wie die Industrie – insbesondere in der Tele­kommuni­kations-, Sicherheits- und Mikro­elektronik­branche – sind gefragt, sich in Form von Beteiligungen zu engagieren.

Stand der Forschung und Technik

In der Quantenkommunikation ist die quantenbasierte Verteilung von Schlüsseln (»Quantum Key Distribution«, kurz: QKD) die bisher am weitesten erforschte Technologie. Sie kommt einer praktischen Anwendung daher am nächsten.
Während die Grundlage der Quantenschlüsselverteilung bereits in einer Vielzahl von Feldversuchen demonstriert wurde, stellt die Übertragung von Quantenschlüsseln zwischen vielen Nutzer:innen in sogenannten »heterogenen Netzen« sowie in realen Infrastrukturen, über lange Distanzen oder bei hohen Bitraten noch signifikante technologische Herausforderungen dar.

Aktuelle Forschungsvorhaben in der Quantenkommunikation konzentrieren sich meist auf ein homogenes physikalisches Medium, beispielsweise auf Glasfasernetzwerke oder auf die Übertragung eines Quantenschlüssels mit Hilfe von Satelliten über eine Freistrahlverbindung. Dabei stehen bisher hauptsächlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und -Systeme im Vordergrund.

Künftige heterogene Quantennetze – also Netze basierend auf einer Kooperation verschiedener Übertragungssysteme – erfordern ein Ineinandergreifen verschiedener Übertragungstechniken. Konkret sind hiermit Freistrahl- und Faserverbindungen gemeint. Nur durch diese Kombination kann ein europäisches Quantennetz (wie z. B. in EuroQCI geplant) oder eine agile und anwendungsoptimierte nationale Architektur realisiert werden.

Zu diesem Zweck bedarf es einer umfassenden Betrachtung der gesamten IT-Infrastruktur, der Sicherheitsaspekte sowie der darin eingebundenen QKD-Lösungen. Unter Berücksichtigung nationaler, gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Anforderungen ist eine solche Betrachtung bisher noch nicht erfolgt. Diese Forschungsarbeiten sind folglich zentraler Bestandteil der QuNET-Initiative.

Unsere Expertise für neue IT-Sicherheit

Interdisziplinäre Ansätze zur Entwicklung sicherer Gesamtsysteme

Bei der Implementierung von QKD-Systemen muss eine ganzheitliche Betrachtung der Sicherheit gewährleistet werden. Die Sicherheit des Gesamtsystems hängt dabei von allen Teilkomponenten und Subsystemen (inkl. Quellen, Detektoren, Quantenzufallszahlengeneratoren, Schlüsselverwaltungssystemen, Software) ab. Folglich ist die Entwicklung solcher Systeme mit hohen Sicherheitsanforderungen eine interdisziplinäre Aufgabe.

Spezialist:innen aus verschiedenen Gebieten (z. B. Quanteninformationstheorie, experimentelle Quantenphysik, Ingenieurswissenschaften, Informatik, Mathematik) müssen im gesamten Projekt eng zusammenarbeiten. In QuNET ist deswegen eine aktive Einbindung dieser Expertisen sowohl durch Beteiligungen als auch durch Workshops sowie in Form begleitender Beratung durch den Beirat vorgesehen.

Sicherheitsbeweise untersuchen die Langzeitsicherheit

QKD soll eine, auf physikalischen Prinzipien fußende, Langzeitsicherheit der Verschlüsselung gewährleisten. Diese Sicherheit wird mit sogenannten »Sicherheitsbeweisen« in der Quanteninformationstheorie untersucht. Mit diesen wird ein Nachweis über die informationstheoretische Sicherheit erbracht und quantifiziert.
Wie bei allen Sicherheitssystemen ist auch bei der quantenbasierten Verschlüsselung die praktische Sicherheit relevant. Die technische sowie praktische Umsetzung muss mit den Modellannahmen der Sicherheitsbeweise übereinstimmen. Angriffe über sogenannte »Seitenkanäle« müssen verhindert werden.

Vertreter:innen aus den Kerninstituten sind bereits mit führenden Rollen im Bereich der praktischen QKD-Sicherheit und dem sogenannten »Quantenhacking« vertreten. Weitere Expert:innen aus dem klassischen Sicherheitsbereich (z. B. BSI, privatwirtschaftliche Sicherheitsbranche) werden von Beginn an in das Forschungsprojekt mit einbezogen.

Sicherheitsbeweise und deren Umsetzung bei den verschiedenen QKD-Protokollen werden kritisch mit der QKD-Community analysiert und mit den Anforderungen des BSI abgeglichen.

Aktuell: Studienausschreibung

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) schreibt eine Studie zum Thema Sicherheitsbeweise für quantenbasierte Verteilung von Schlü
sseln (»Quantum Key Distribution«, kurz: QKD) aus.

Ausschreibungen können über die offizielle Plattform eingereicht werden. Dort finden Sie auch alle Details zum Umfang der Studie und Informationen zur Einreichung: Zur Plattform
 
Einreichungsfrist: 5. Juli 2021, 14:00 Uhr (CET)
 
 

Standardisierung von QKD

Die Standardisierung von QKD-Protokollen wird bereits seit vielen Jahren u. a durch das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) vorangetrieben. Hier sind Partner der QuNET-Initiative vertreten. Zusätzlich zu ETSI gibt es weitere internationale Gremien und Institutionen, die sich mit der Standardisierung von QKD-Systemen auseinandersetzen, etwa die Internationale Organisation für Normung (ISO) oder die Internationale Fernmeldeunion (ITU).
Ziel der QuNET-Initiative ist es, im nationalen Interesse die von diesen Organisationen verabschiedeten Standards und Normen mitzugestalten. Auf diese Weise soll die künftige Handlungsfähigkeit Deutschlands im Hinblick auf Quantenkommunikation garantiert werden.

Für eine Nutzung von Quantenkommunikation in kritischen bzw. (Hoch-)Sicherheitsbereichen ist zudem im Regelfall eine Zulassung durch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) erforderlich. Das BSI wird, unabhängig von QuNET, ein Schutzprofil zur Evaluierung von QKD-Produkten nach allgemeingültigen Kriterien (»Common Criteria«) erstellen lassen sowie die theoretische und praktische Sicherheit von QKD weiter untersuchen. Diese Aspekte werden im Rahmen der QuNET-Initiative frühzeitig berücksichtigt und mit notwendigen wissenschaftlichen und technischen Vorarbeiten unterstützt.

Expertise aus dem Beirat

Chief Technology Officer CTO

»Auf dem Weg zu einer ultimativen Absicherung von Datenübertragung liefert QKD einen wichtigen Beitrag. Neben grundlegenden Forschungsarbeiten wie zum Beispiel Regeneration sind eine Vielzahl von Herausforderungen zu bewältigen, um einen wirtschaftlichen Erfolg von QKD zu ermöglich. Dies umfasst unter anderem technische Verbesserungen wie erhöhte Reichweiten, Verringerung der Kosten durch neue Verfahren, Erhöhung der Zuverlässigkeit und Integration in Systeme und Netze.«

Abteilungsleiter Optik (mehr Informationen)

»Mit einer Quantenverschlüsselung, die auf Naturgesetzen statt auf mathematischen Algorithmen basiert, ist es einem potentiellen Angreifer physikalisch unmöglich, unbemerkt „mitzuhören“; dies ist der Reiz dieses Verfahrens. Bis zur praktischen Umsetzung ist es aber ein weiter Weg, da die real existierenden Komponenten, Produkte und Systeme Unzulänglichkeiten besitzen, die Einfallstore liefern. QuNET ebnet den Weg zu dieser Umsetzung und wird es der deutschen Industrie damit ermöglichen, zukünftig geeignete Produkte zu entwickeln.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt als nationales Metrologieinstitut unterstützt die Aktivitäten hinsichtlich einer Realisierung mit der metrologischen Charakterisierung von Produkten und Komponenten für die QKD.«

Manfred LochterRequirements for and Development of Cryptographic Mechanisms

»QuNET erforscht mit der Quantum Key Distribution (QKD) einen neuen Ansatz zur sicheren Kommunikation, der auf physikalischen Prinzipien beruht, während die Post-Quanten-Kryptografie (PQK) auf der vermuteten Schwierigkeit von bestimmten mathematischen Problemen beruht. QuNET schafft damit die Grundlagen für Produktentwicklungen der deutschen Industrie und damit zur technologischen Souveränität auf dem Gebiet der Quantenkommunikation.

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) betrachtet dabei QKD und PQK als sich ergänzende Lösungen. PQK kann bereits jetzt eingeführt werden. Bei QKD besteht derzeit noch eine Reihe von offenen Fragen. Diese betreffen die Ende-zu-Ende-Sicherheit, die Integration in bestehende Netze, die theoretische Sicherheit und auch die Implementierungssicherheit. So sind eine Vielzahl von Quantum-Hacking-Angriffen gegen Implementierungen von QKD bekannt.

Als Cyber-Sicherheitsbehörde des Bundes unterstützt das BSI die Entwicklung von Prüfkriterien für QKD-Devices und die Forschung zur Sicherheit und zum Einsatz von QKD.«

Experte für Quantenrepeater (zuständig für den theoretischen Teil des Roadmapprozesses in Q.Link.X.)

»Letztlich wird das Ziel sein, quantenbasierte Sicherheit auch über größere Distanzen – innerhalb Deutschlands, in Europa und auf globaler Ebene — zu gewährleisten, ohne dabei hohe Sicherheitsanforderungen an die dazwischenliegenden Netzwerkknoten stellen zu müssen. Ein Quanten-Repeater, der einzelne Netzwerksegmente auf nichtklassische Weise zu weitreichender Verschränkung verbindet, ermöglicht genau dies.«

Head of Certifications & Approvals

»Zukünftige Quantencomputer werden voraussichtlich in der Lage sein, unsere heutigen asymmetrischen kryptografischen Verfahren zu brechen. Um den hohen Sicherheitsstandard auch in Zukunft zu halten, forschen wir zurzeit sowohl an Post-Quanten-Kryptografie als auch an Quantenschlüsselaustausch.

Beim Quantenschlüsselaustausch werden Quantenzustände zur Verteilung kryptografischer Schlüssel eingesetzt, die aufgrund quantenphysikalischer Gesetze weder unbemerkt kopiert noch mitgelesen werden können. Sichere, klassisch symmetrische kryptografische Verfahren können dann benutzt werden, um die Vertraulichkeit und Integrität der eigentlichen Nutzdaten zu schützen.

Um die Forschung an der Verschlüsselung der Zukunft voranzutreiben, beteiligt sich Rohde & Schwarz Cybersecurity sehr gern mit seiner kryptologischen Expertise und seiner Erfahrung im Bau und in der Implementierung sicherer Geräte und Systeme am QuNET-QKD-Projekt.«

Senior Systems Engineer

»Sicherheit in der Kommunikation ist die Basis für vertrauensvolle gesellschaftliche Interaktion in allen Lebensbereichen. In dem Maße wie der technische Fortschritt die Grenzen in der Computertechnologie verschiebt (Stichwort Quantencomputer), werden die etablierten Verfahren zur Sicherung der privaten Kommunikation angreifbarer. Die Quantenschlüsselverteilung (QKD) bietet einen Ausweg aus diesem Dilemma, denn sie nutzt eben jene Eigenschaften von Quantenzuständen, auf denen Quantencomputer basieren, um dadurch beweisbar abhörsichere Kommunikation zu ermöglichen. QKD ist somit eine starke Alternative zur Sicherung künftiger Kommunikation. Die notwendigen Technologien für eine erste Generation von deutschland- bzw. europaweiten, operationellen QKD-Netzwerken ist bereits verfügbar, so dass einer raschen Industrialisierung und gesellschaftlichen Nutzung nichts im Wege steht. Dabei wird diese Generation nur ein Teil des vollen Potentials der Quantenkommunikation mit Hilfe von terrestrischen und weltraum-basierten Elementen erschließen. Folgegenerationen, an denen bereits heute geforscht wird, werden mit Hilfe von Einsteins „spukhafter Fernwirkung“ nicht nur sichere Kommunikation der nächsten Generation erlauben, sondern darüber hinaus auch quantenbasierte Messtechnik und die langreichweitige Verbindung von Quantencomputern mit vielfältigen Applikationsmöglichkeiten ermöglichen.

OHB sieht QKD als eine Schlüsseltechnologie für die Gesellschaft von morgen und ist Gründungsmitglied des Deutschen Industrieverbunds für Quantensicherheit (DIVQSec), dessen Ziel es ist, industriell nutzbare Lösungen für quantensichere Kommunikation durch Generierung und Sicherung einer nationalen Wertschöpfungskette zu fördern.«

»Alle heute verwendeten, klassischen Schlüssel-Austauschverfahren basieren auf asymmetrischen Ansätzen mit einem öffentlich verteilten Schlüssel. Mit Hilfe von Quantencomputern lassen sich daher Kommunikationsnetze als Teil kritischer Infrastrukturen angreifen.

Die Deutsche Telekom sucht deshalb nach Alternativen zu den etablierten Methoden. Wir arbeiten an Konzepten und Netzarchitekturen für eine neue, umfassende Sicherheitsplattform mit der sich quantensichere Schlüssel verteilen lassen. Das primäre Ziel ist der Schutz der eigenen Netze, Netzkomponenten und Applikationen, gefolgt von neuen Services für unsere Kunden. Dafür setzt die Deutsche Telekom auf eine zukunftssichere Lösung, die die besten Ansätze aus QKD und Post-Quanten-Kryptografie (PQK) vereinigt. QKD erlaubt für die sicherheitsrelevanten Kernnetze die Absicherung auch gegen im Moment noch unbekannte Quantenalgorithmen; PQK ist vielversprechend für die Netzperipherie, wie etwa Zugangsnetze, wo sich QKD ökonomisch nicht darstellen lässt. Unabdingbare Voraussetzung ist eine korrekte Implementierung und belastbare Evaluierung der informationstheoretisch sicheren QKD-Protokolle.

Die Deutsche Telekom sieht QuNet-Initiative als eine wichtige nationale Säule an, um ein „QKD Plattform“ einzuführen. QuNet bietet ideale Rahmenbedingungen für den intensiven Austausch mit Vertretern aus der wissenschaftlichen Lehre und Experten aus der Industrie.«

Patrick Leisching

Senior Vice President Research & Development
(mehr Informationen)

»Die Verschlüsselung der Informationsübertragung ist seit jeher ein wesentlicher Bestandteil aller Kommunikationsnetze. Im Zeitalter der Quantentechnologien erfordert der Einsatz moderner QKD Verfahren den Einsatz anspruchsvoller Lasersysteme der nächsten Generation.

TOPTICA untersucht geeignete miniaturisierte photonische Subsysteme, die für den zukünftigen Einsatz in der Telekommunikationsindustrie für QKD Anwendungen geeignet sind. TOPTICA ist dabei heute schon auf europäischer Ebene im Projekt QIA (Quantum Internet Alliance) im Bereich der Hardware für die photonischen Subsysteme engagiert. In Deutschland werden geeignete Photonenquellen für die sichere und verlustarme Datenübertragung mittels Quantentechnologien im BMBF-geförderten Projekt QSource untersucht, um die Grundlagen für die spätere Produktentwicklung zu legen.«

 

Head of Marketing & Sales

»Basierend auf der erfolgreichen Grundlagenforschung ist der Aufbau eines Pilotnetzes zur Quantenkommunikation ein wichtiger Meilenstein bei der Industrialisierung dieser Technologie. Abhörsichere Kommunikation zu und zwischen Satelliten, Drohnen und Flugzeugen ist im Fokus von Airbus Defence and Space, um einen Beitrag bei der Errichtung weltweiter abhörsicherer Kommunikationsnetzwerke für staatliche Institutionen oder kommerzielle Anwendungen im Bankensektor zu leisten.«

»Sichere Kommunikation ist essenziell für viele Lebensbereiche – bei geschäftlichen, hoheitlichen oder privaten Anliegen. QuNET verfolgt den Ansatz, die Informationsübertragung per Quantenschlüsselverteilung (QKD) abzusichern, also quantenphysikalische Prinzipien zu nutzen, um potentiellen Angreiferinnen und Angreifern das Abhören besonders schwierig zu machen.

qutools wurde 2005 mit dem Ziel gegründet, unter anderem QKD-Systeme zu entwickeln und zu vermarkten. Damit waren wir der Zeit wohl ein wenig voraus, und so haben wir uns auf Komponenten und Lehrprodukte in diesem Bereich konzentriert, zum Beispiel um QKD für Lernende erfahrbar zu machen. Wir freuen uns sehr, diese Initiative begleiten zu dürfen und sind gespannt, wie weit QKD und die Quantentechnologien insgesamt unsere Zukunft verändern werden.«

Michael Waidner

»QuNET liefert wertvolle Erkenntnisse über die praktische Machbarkeit und Skalierbarkeit eines hochsicheren Schlüsselaustauschs durch die Ausnutzung der besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik. Besonderes Augenmerk ist auf die Integration des physikalischen Quantenschlüsseltauschs in eine klassische IT-Sicherheitsarchitektur mit Schlüsselmanagement, Authentifizierung und Kundeninterface zu legen, denn die erreichte Sicherheit sollte in der digitalen Welt auf dem gleichen Niveau weiterbestehen können.«

Flankierend zur QuNET-Initiative bauen die Freistaaten Thüringen, Sachsen und Bayern (in Planung) Forschungsinfrastrukturen und Applikationslabore für die Quantenkommunikation auf. Diese dienen auch als Plattformen für Experimente und Testläufe der in QuNET entwickelten Technologien und Komponenten. Ebenso dienen sie der Validierung und bieten geeignete Forschungsumgebungen für interessierte Akteur:innen aus Wirtschaft und Wissenschaft.
Diese Plattformen, auch »Testbeds« genannt, bieten die Möglichkeit zur weiterführenden Auftragsforschung sowie zur Produktentwicklung ausgehend von Komponenten basierend auf Forschung und Entwicklung.

Bayerische-Initiative
Kontaktperson: Prof. Dr. Gerd Leuchs (MPL)

Thüringer-Initiative: Quantum Engineering
Kontaktpersonen: Markus Selmke und Julian Gritsch (beide QuNET-Office Fraunhofer IOF)

Sächsische-Initiative: Modular Nonoelektronik für die Quantenkommunikation
Kontaktpersonen: Dr. Kay-Uwe Giering und Dr. Roland Jancke (beide Fraunhofer IIS (EAS))

Es findet eine gemeinsame Koordinierung zwischen den Länderinitiativen sowie mit der QuNET-Initiative des Bundes statt.