Quantenschlüsselaustausch

Quantenschlüsselaustausch (QKA) bezeichnet Verfahren zur Erzeugung und Verteilung eines gemeinsamen geheimen Schlüssels zwischen zwei Parteien unter Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften von Teilchen. Ziel ist es, eine Schlüsselverteilung zu ermöglichen, bei der jede Abhöraktivität von Dritten erkannt werden kann, wodurch der resultierende Schlüssel auch bei potenzieller Abhörung sicher bleibt.

Am häufigsten wird Licht in Form von Photonen verwendet. Die Sicherheit basiert auf Grundprinzipien der Quantenmechanik, insbesondere dem No-Cloning-Theorem und dem Messestören, der die Information verändert. Es gibt zwei Hauptfamilien von QKA: vorbereitungs- und messbasierte Protokolle wie BB84 (mit zufälliger Auswahl von Basis- bzw. Zustand-Paare) und entanglementbasierte Protokolle wie E91. Zur Praxis gehört auch die Decoy-State-Technik, um photonenzählende Angriffe zu verhindern. Zusätzlich existieren kontinuierliche Variablen-QKA, die Quadraturen von Licht verwenden.

Der Verteilungsprozess umfasst die physischen Übertragung der Quantenzustände, gefolgt von einer klassischen Nachbearbeitung. Dabei werden Sifting, Fehlerkorrektur und Privacy Amplification durchgeführt, um aus den gemessenen Rohdaten eine robuste Schlüsselmenge zu erzeugen. Die endgültige Sicherheit hängt von der Qualität der Geräte und der Fähigkeit ab, unbekannte Fehlerquellen zu identifizieren. Üblicherweise werden die so erzeugten Schlüssel für die symmetrische Verschlüsselung genutzt, etwa als Schlüssel für einen One-Time-Pad oder für die Aktualisierung von AES-Schlüsseln.

Praktische QKA-Netzwerke nutzen Glasfasern, Freiraumkommunikation oder Satellitenkanäle. Distanzprobleme aufgrund von Photonenausfall erfordern repeaterartige Konzepte oder fortgeschrittene Protokolle. Zusätzlich können Geräteimperfektionen zu Seitenkanälen führen; in Reaktion darauf wurden device-independent oder measurement-device-independent QKA-Varianten erforscht, die Sicherheitsannahmen reduzieren.

Der Stand der Technik ist geprägt von aktiver Forschung, Prototypen und spärlich verbreiteten kommerziellen Angeboten. In spezialisierten Bereichen, wie Regierungs- oder Finanzanwendungen, werden QKA-Lösungen getestet und teilweise implementiert. Standardisierungsbemühungen unterstützen Interoperabilität und Sicherheitsbewertungen.