Quantenkryptografie

Quantenkryptografie bezeichnet den Bereich der Kryptografie, der Quantenmechanik verwendet, um Informationen sicher zu übertragen oder Schlüssel sicher zu erzeugen. Der bekannteste Anwendungsfall ist der Quanten-Schlüsselaustausch (Quantum Key Distribution, QKD), bei dem zwei Parteien einen gemeinsamen geheimen Schlüssel erzeugen, der anschließend für die symmetrische Verschlüsselung genutzt wird. Die Sicherheit resultiert aus fundamentalen Quantenprinzipien und ist nicht allein von der Rechenleistung abhängig.

Prinzipien: Die zentrale Idee beruht auf der Quantenmechanik, insbesondere dem No-Cloning-Theorem und dem messbedingten Kollabieren von Quantenzuständen. Wer Quantenzustände während der Übertragung abgreifen will, verändert sie durch Messungen, wodurch Fehler auftauchen, die die Parteien erkennen können. So lässt sich sicherstellen, dass ein Angreifer keinen unentdeckt Schlüssel erlangen kann.

Bekannte Protokolle: BB84 (1984) nutzt zwei nicht zueinander kompatible Messbasen, um bits sicher zu übertragen; B92 verwendet zwei nicht-or übergehörige Zustände; E91 (Ekert, 1991) setzt auf verschränkte Teilchen und Bellungleichungen. Praktisch weit verbreitet sind auch decoy-state QKD, das Photonenzahl-Splitting-Angriffe abwehrt, sowie verschiedene hardware-spezifische Varianten.

Reale Implementierung und Grenzen: QKD wird überwiegend über Glasfasern oder Freiraumkanäle (einschließlich satellitengestützter Verbindungen) betrieben. Herausforderungen sind Verlust, Dunkelzählungen und Detektoremperrungen. Sicherheitsaudit und device-independent bzw. measurement-device-independent QKD-Konzeptionen zielen darauf ab, Angriffsflächen zu reduzieren. Die Reichweite wird durch Quanten-Repeater-Technik erweitert, ist jedoch noch in Entwicklung.

Auswirkungen und Nutzung: QKD ermöglicht die Erzeugung sicherer Schlüssel, die mit klassischen Verschlüsselungsverfahren eingesetzt werden. Standardisierung und Pilotprojekte existieren in Bereichen wie Finanzdienstleistungen, Regierung und Forschung. Die Technologie entwickelt sich zu integrierten Quantenkommunikationsnetzen, die langfristig herkömmliche Systeme ergänzen oder ersetzen könnten.