Technologie und Forschungsumfeld
Quantentechnologisch gestützte Kryptosysteme adressieren primär die Schlüsselverteilungsproblematik durch Ausnutzung nichtklassischer Zustandspräparation und -messung. In prototypischen QKD-Architekturen (z. B. BB84-Varianten mit Decoy-State-Methodik) werden schwache kohärente Pulse bzw. Einzelphotonenregime zur Generierung korrelierter Rohschlüssel genutzt, wobei die Unvereinbarkeit von Messbasen und das No-Cloning-Theorem eine detektierbare Störung unter aktiver Interzeption induzieren. Die resultierenden Rohdaten werden via Parameterabschätzung, informationstheoretischer Fehlerkorrektur (Leakage-Accounting) und Privacy Amplification (universelle Hash-Familien) in kompositionell abgesicherte Sitzungsschlüssel überführt; die Nutzdatenverschlüsselung erfolgt anschließend in der Regel symmetrisch (z. B. AEAD) oder—bei ausreichender Schlüsselrate—als One-Time-Pad.
Ergänzend liefern QRNGs quantenphysikalisch fundierte Entropiequellen mit verbesserter Min-Entropy-Garantie für Schlüsselmaterial, Nonces und Seeds. Skalierung über Metropolitan- und Backbone-Distanzen erfolgt derzeit über vertrauensbasierte Knoten, Freistrahl- bzw. satellitengestützte Links; längerfristig zielen Quantenrepeater auf entanglementbasiertes Routing mittels Entanglement Swapping, Quanten-Speichern und Fehlerkorrekturcodes.
Praktische Limitierungen resultieren aus Kanalverlusten, Detektorimperfektionen sowie Implementierungs- und Seitenkanalangriffen; Gegenmaßnahmen umfassen u. a. MDI-QKD/DI-QKD-Ansätze, bleiben jedoch technologisch anspruchsvoll. Parallel etabliert sich Post-Quantum-Kryptografie als softwareseitige Absicherung gegen künftige Quantenrechner, häufig in hybriden Protokollstacks kombiniert mit QKD für Hochsicherheitsstrecken.
Forschungsgegenstand
Für militärische Anwendungsszenarien ist quantenbasierte Kryptografie weiterhin Gegenstand intensiver Forschung, weil die Randbedingungen nichtstationärer, gestörter und adversarialer Kommunikationsräume die idealisierten Sicherheitsannahmen klassischer QKD-Modelle systematisch verletzen. Im Fokus stehen zunächst robustere Freistrahl- und satellitenbasierte QKD-Links unter atmosphärischer Turbulenz, Platform-Jitter, intermittierender Sichtlinie sowie unter bewusster Störung (Dazzling/Jamming) der Optik und Detektoren; hierfür werden adaptive Optik, hochdynamische Pointing-Tracking-Mechanismen, alternative Wellenlängenfenster und optimierte Decoy-State-Parameterisierung untersucht. Parallel werden Netzwerktopologien für „quantum-secure“ Transport in taktischen und strategischen Domänen erforscht, inklusive Schlüsselrouting, Multi-Hop-Trust-Reduktion, policy-getriebenem Key-Management und der Frage, wie QKD-Schlüssel in heterogene Protokollstacks (IPsec/TLS, Link-Encryption, COMSEC) kompositionell korrekt eingebettet werden.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt betrifft Implementierungssicherheit: Gegenmaßnahmen gegen Detektor- und Seitenkanäle, standardisierte Sicherheitsmodelle für MDI-QKD/DI-QKD, sowie formale Verifikation der Gesamtsysteme (inkl. klassischer Authentifizierung, ohne die QKD keine MITM-Resistenz besitzt). Langfristig zielt Forschung auf Quantenrepeater-fähige Architekturen (Quanten-Speicher, Entanglement Swapping, Fehlerkorrektur) zur Reichweiten- und Rate-Skalierung sowie auf SWaP-optimierte, gehärtete Photonik für den Einsatz in mobilen, energie- und volumenrestriktiven Plattformen. Ergänzend wird die operative Koexistenz mit Post-Quantum-Kryptografie als Hybridansatz untersucht, um sowohl „harvest-now-decrypt-later“-Risiken bei gespeicherten Daten als auch hochsichere Punkt-zu-Punkt-Strecken abzudecken.
Weltweit bearbeiten University of Science and Technology of China satelliten- und mobilitätsfähige QKD-Demonstratoren zur großskaligen Schlüsselverteilung. (en.ustc.edu.cn) Centre for Quantum Technologies adressiert u. a. device-independent QKD und formal robuste Sicherheitsbeweise. (CQT - Centre for Quantum Technologies) Institute for Quantum Computing fokussiert Quantenkommunikation (QKD, Repeater, globale Netzkonzepte). (University of Waterloo) University of Cambridge und University of Bristol demonstrieren netzintegrierte Quanten-Backbones/ultrasichere Übertragung. (University of Cambridge) The University of Tokyo entwickelt u. a. Telekom-Band-Einzelphotonenquellen für QKD-Strecken. (qdot.iis.u-tokyo.ac.jp) In Deutschland treiben Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI QKD-Komponenten und Infrastruktur-Testbeds (Koexistenz mit klassischer Übertragung) voran, (hhi.fraunhofer.de) während Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR satellitenbasierte QKD (CubeSat) erforscht. (dlr.de) Max-Planck-Institut für Quantenoptik arbeitet an Verschränkungsverteilung und Quanten-Networking als Basis skalierbarer Netze. (mpq.mpg.de) Ziel ist informationstheoretisch abgesicherte, implementierungsrobuste Schlüsselgenerierung und deren skalierbare Integration in operative Kommunikationsnetze.