Was ist Quantenkryptographie?

Quantenkryptographie bezieht sich auf kryptographische Systeme, die auf quantenmechanischen Effekten und Eigenschaften beruhen, um kryptographische Aufgaben auszuführen. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Kryptographie, die auf modernen Computern verwendet wird. Eine grundlegende Voraussetzung der Quantenkryptographie ist die Verwendung eines Quantencomputers; es kann nicht mit einem Standardcomputer durchgeführt werden.

QKD

Das Hauptgebiet der Quantenkryptographie ist QKD. QKD steht für Quantum Key Distribution. Anstatt einen vollständigen Quantenverschlüsselungsprozess zu verwenden, verwendet QKD Quanteneffekte, um einen klassischen Verschlüsselungsschlüssel sicher zu verteilen. Das bedeutet, dass statt viel komplexerer Quantenalgorithmen nur ein bewährtes sicheres Quantenkommunikationssystem entwickelt werden muss. Es reduziert auch die körperlichen Anforderungen; Technisch gesehen wäre auf einem normalen Computer nur eine Quantennetzwerkkarte erforderlich und nicht ein ganzer Quantencomputer.

Die Quantenmechanik bietet sich vernünftigerweise für die Entwicklung sicherer Quantenkommunikationssysteme an. Es gibt Möglichkeiten, mit Quantenkommunikationskanälen zu kommunizieren, die ein unbefugter Dritter nicht überwachen kann, ohne dass dieser Eingriff erkennbar ist.

Auch die Sicherheit eines Quantenkommunikationskanals lässt sich auf wenige höchst minimale Anforderungen reduzieren. Eine solche Bedingung besteht darin, dass die beiden legitimen Parteien eine Möglichkeit haben, sich gegenseitig zu authentifizieren. Eine weitere Voraussetzung ist einfach, dass die Gesetze der Quantenmechanik gelten.

Das Hauptproblem für QKD liegt in der Schwierigkeit, Quanteninformationen über große Entfernungen zu übertragen. Die aktuelle Forschung ermöglicht geeignete Schlüsselübereinstimmungsraten über Glasfasern bis zu 550 km. Jenseits dieser Entfernung werden Quantenrepeater benötigt, um sicherzustellen, dass das Signal nicht im Rauschen verloren geht. Darüber hinaus wäre das Routing von Quantenkommunikation über ein Quanteninternet eine Herausforderung. Aktuelle Testsysteme sind in der Regel Punkt-zu-Punkt.

Andere Forschungsgebiete

Quanteneffekte können im Bereich des misstrauischen Quantencomputings genutzt werden. Hier können zwei Parteien zusammenarbeiten, ohne sich gegenseitig zu vertrauen. Das Quantensystem kann so gestaltet werden, dass beide Parteien beweisen können, dass der andere betrogen hat. Diese Methoden beruhen jedoch auch auf Nicht-Quanteneffekten wie der speziellen Relativitätstheorie.

In anderen Bereichen wird derzeit geforscht, beispielsweise die Anforderung, dass sich ein Empfänger an einem bestimmten physischen Ort befinden muss, selbst wenn zwei Gegner zusammenarbeiten. Andere Schemata versuchen, sogar aktiv unehrliche Empfänger zu zwingen, ehrlich zu sein, indem sie überwältigende Systemanforderungen für die Fähigkeit, betrügerisch zu sein, implementieren. Ein Großteil dieser Art von Arbeit hat Schwächen in den aktuellen Quantenimplementierungen gezeigt, aber die Tür für zukünftige Forschung auf einem sehr jungen Gebiet offen gelassen.

Quantenkommunikation erfordert mehrere Dinge, um wirklich sicher zu sein. Erstens müssen optische Übertragungen in der Lage sein, einzelne Photonen zu senden. Gegenwärtige Systeme neigen dazu, Laser zu verwenden, die mehrere Photonen senden. Theoretisch könnte ein Gegner eines von vielen Photonen abfangen, ohne eine Spur zu hinterlassen. Es gibt jedoch vielversprechende Forschungen in der Entwicklung von Einzelphotonenquellen.

Zweitens leiden Photonendetektoren unter fertigungstoleranzbasierten Unterschieden, die einem Lauscher ein Fenster öffnen, um sich selbst in den Kommunikationsstrom einzuspeisen, ohne entdeckt zu werden. Dieses Problem kann ohne unendlich enge Toleranzen, eine undurchführbare Anforderung, nicht vollständig gelöst werden.

Abschluss

Quantenkryptographie bezeichnet eine Kryptographie, die sich quantenmechanische Effekte zunutze macht. Das derzeitige Hauptfeld ist die Quantum Key Distribution, die Quantenkommunikationsmethoden verwendet, um klassische Verschlüsselungsschlüssel zu übertragen. Quantenkryptographie sollte nicht mit Post-Quantenkryptographie verwechselt werden.