Quantenkryptographie

Quantenkryptographie ist ein Teilgebiet der Kryptographie, das Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um kryptografische Aufgaben sicher zu erfüllen. Der zentrale Anwendungsfall ist die Quanten-Key-Distribution (QKD), bei der zwei Parteien eine gemeinsame, zufällige Geheimschlüsselsequenz erzeugen, deren Sicherheit auf den Gesetzen der Quantenphysik beruht und unabhängig von Rechenleistung oder späteren Attacken garantiert sein soll.

Die Sicherheit der QKD basiert auf fundamentalen Prinzipien: Messung eines Quantenzustands stört ihn, und das Klonen von Quantenzuständen ist unmöglich. Dadurch können Unehrliche den Austausch nicht unbemerkt abfangen, ohne die kommunizierten Ergebnisse zu beeinträchtigen. In der Praxis bedeutet dies, dass nach dem Austauschen der Quantenbits eine Auswertung und Fehlerkorrektur erfolgt, gefolgt von einer Privacy-Ansatz, um potenzielle Informationen eines Abhörers zu begrenzen.

Historisch bedeutend sind das BB84-Protokoll von Bennett und Brassard (1984), das auf der Messung von Photonenzuständen basiert, und das E91-Protokoll von Ekert (1991), das auf Quantenverschränkung setzt. Neben BB84 gibt es weiterentwickelte Varianten wie B92 und das Six-State-Protokoll. QKD wird typischerweise über Glasfasern oder Freiraumkanäle implementiert, oft mit Photonenkernen, Detektoren und Quantenquellen. Praktische Sicherheit muss zusätzlich zu idealen Annahmen auch Setup-spezifische Schwachstellen berücksichtigen (Timing, Detektorklau, Seitenkanäle).

QKD dient vor allem dem sicheren Austausch von Schlüsseln, die anschließend für herkömmliche symmetrische Verschlüsselung verwendet werden. Obwohl noch kein flächendeckendes weltweites Netz existiert, gibt es kommerzielle Systeme, Pilotnetze und Forschung zu Netzwerk-Quantenkommunikation und Quanten-Repeatern, die Reichweite und Skalierbarkeit verbessern sollen.