Kinderleichte Quantenkryptografie

Forscher von Toshiba in Cambridge, Großbritannien, haben einen Weg gefunden, eine Sicherheitslücke zu schließen, die derzeit begrenzt, wie weit und wie schnell Verschlüsselungsschlüssel mit bestehenden quantenkryptografischen Systemen verteilt werden können. Die Entwicklungen könnten die kommerzielle Attraktivität einer bedingungslos sicheren Verteilung von Quantenschlüsseln erhöhen, sagt Andrew Shields, Leiter von Quanteninformationsgruppe bei Toshiba Research Europe, der die Forschung leitete.

Gefahr in Zahlen: Um die Quantenverschlüsselung vollständig sicher zu machen, müssen Einzelphotonenpulse verwendet werden. Abgebildet ist eine neue Leuchtdiode, die solche Impulse erzeugen kann.

Quantenkryptographie wird derzeit nur von einigen Banken und Regierungsbehörden zum Senden von Verschlüsselungsschlüsseln zwischen Gebäuden verwendet. Doch Systeme können Sicherheit nur über relativ kurze Distanzen gewährleisten. Die Herausforderung besteht darin, die Reichweite zu erhöhen und die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Schlüssel gesendet werden können, damit sie breiter verwendet werden können, sagt Shields.



Gegenwärtige kommerzielle Quantenkryptographiesysteme sind so konzipiert, dass sie es zwei Parteien ermöglichen, geheime Verschlüsselungsschlüssel auszutauschen, ohne das Risiko einzugehen, dass sie abgefangen werden. Dies erfolgt durch Codieren der digitalen Schlüsselinformationen in Lichtimpulsen, die über Standard-Lichtwellenleiter gesendet werden.

Die Einsen und Nullen dieser digitalen Schlüssel sind in Zeitverzögerungen zwischen Pulsen einzelner Photonen kodiert. Theoretisch ist dies so sicher, dass jeder Versuch eines Lauschers, das Signal abzufangen, notwendigerweise das Entfernen einzelner Photonen aus dem Signal erfordert – ein Vorgang, der nachgewiesen werden kann.

In der Praxis kann diese unbedingte Sicherheit aber nur dann wirklich gewährleistet werden, wenn die eigene Lichtquelle nur einzelne Photonen aussendet. Da dies bei der aktuellen Quantenverschlüsselung nicht der Fall ist, sind Abhörangriffe möglich. Bei einer Strategie saugt ein Lauscher einzelne Photonen ab; Dieser Angriff beruht auf der Tatsache, dass einige Pulse aus mehr als einem Photon bestehen, was bedeutet, dass sie nicht übersehen werden.

Um dies zu umgehen, verwenden bestehende kommerzielle Quantenverschlüsselungssysteme Tricks, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass Pulse mehrere Photonen enthalten. Zum Beispiel könnten die Systeme die Intensität jedes Impulses begrenzen und die Bitrate reduzieren, mit der sie gesendet werden. Der Kompromiss besteht jedoch darin, dass je schwächer ein Puls ist, desto weniger Entfernung kann er zurücklegen, während eine langsamere Bitrate die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Schlüssel verteilt werden können, sagt Shields.

Die Lösung von Toshiba besteht darin, in das Signal das aufzunehmen, was Shields Täuschungsimpulse nennt. Diese Impulse werden zufällig in das Signal eingestreut und sind schwächer als der Rest des Signals. Das bedeutet, dass sie selten aus mehr als einem Photon bestehen. Wenn ein Lauscher versucht, einzelne Photonen zu blockieren, während er mehrere Photonen von den restlichen Impulsen absaugt, werden im Durchschnitt mehr dieser Täuschungsimpulse blockiert als der Rest des Signals. Durch die Überwachung des Anteils von Signalen zu Täuschungsimpulsen, die durchkommen, ist es also möglich, einen Angriff zu erkennen.

Mit diesem Lockvogel-Ansatz können leistungsstärkere Laserpulse verwendet werden, was wiederum eine Erhöhung der Bitrate und ebenso der Entfernung ermöglicht, über die sie gesendet werden können, sagt Shields. Nicht-Täuschungssignale können über eine Entfernung von etwa 25 Kilometern etwa 43 Bit pro Sekunde erreichen. Aber der Lockvogel-Ansatz kann 5,5 Kilobit pro Sekunde erreichen, was einer 100-fachen Steigerung entspricht.

Es ist bereits möglich, bedingungslose Sicherheit zu erhalten, aber die Herausforderung besteht darin, dies über längere Distanzen zu tun, sagt Gregoire Ribordy , CEO und Gründer von Quanten-ID , das Schweizer Unternehmen, das 2002 ein kommerzielles Quantenkryptografiesystem auf den Markt brachte. Mit diesem Lockvogel können Sie die Reichweite oder die Bitrate für eine bestimmte Entfernung erhöhen, sagt Ribordy.

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Der Lockvogel-Ansatz ist eine sehr nützliche Verteidigung gegen diese Art von Angriff auf die Quantenkryptographie, und mehrere Gruppen arbeiten jetzt an ähnlichen Ansätzen, sagt Frank Wong , der Quanteninformationswissenschaftsgruppe am MIT. Aber das Problem mit Behauptungen über bedingungslose Sicherheit ist, dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, sie zu testen, außer durch Simulation, sagt Wong.

Der zweite Fortschritt, den die Gruppe gemacht habe, sei längerfristig bedeutsam, sagt Shields. Dies ist die Entwicklung einer Leuchtdiode, die einzelne Photonen zuverlässiger emittieren kann. Bei der Quantenschlüsselverteilung sei das Ideal, nur einzelne Photonen zu senden, sagt er. Wenn dies zuverlässig möglich ist, wäre die Übertragung wirklich unempfindlich gegen Angriffe und Techniken wie Täuschungsimpulse würden überflüssig gemacht.

Der Ansatz von Toshiba besteht darin, ein Array von Quantenpunkten zu erzeugen, die jeweils einen Durchmesser von 45 Nanometern haben und nur einzelne Photonen emittieren können. Obwohl eine Leuchtdiode mit diesen Quantenpunkten immer noch gelegentlich mehr als ein Photon emittiert, ist die Wahrscheinlichkeit dafür fünfmal geringer als bei Verwendung eines Lasers. Es gibt andere Möglichkeiten, einzelne Photonen zu erzeugen, aber einer der Vorteile der Verwendung von Quantenpunkten besteht darin, dass sie leicht von der Elektronik integriert und gesteuert werden können. Die Ansteuerung über eine Spannung anstelle eines Lasers sei ein großer Vorteil, da elektrische Geräte viel kompakter und robuster seien, sagt Shields.

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