Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Metrology for industrial quantum communication technologies

War Kryptographie früher die Wissenschaft der Verschlüsselung von Informationen, so umfasst sie heute das ganze Spektrum der Informationssicherheit. Um Informationen gegenüber dem Zugriff von Unbefugten zu schützen, werden diese über einen Algorithmus zu einem Kryptogramm verschlüsselt. Damit ein Kryptosystem als sicher gilt, darf sich ein Kryptogramm nur mit dem hierzu gehörenden Schlüssel öffnen lassen. Aufgrund der stetig zunehmenden Rechengeschwindigkeit müssen kryptographische Schlüssel immer länger werden, um die erforderliche Sicherheit in der klassischen Kommunikation zu gewährleisten. Mit der Einführung von Quantencomputern wird diese Vorgehensweise jedoch hinfällig werden.

Quantenverschlüsselungssysteme (QKD: quantum key distribution) dienen dazu, echte zufällige kryptographische Schlüssel zwischen zwei Parteien zu generieren, die über einen Quantenkommunikationskanal miteinander verbunden sind.Bei dieser Technologie wird ausgenutzt, dass Photonen mit Quantenzuständen kodiert werden können, die gestört werden, wenn ein Lauscher auf den Kanal zugreift. QKD- Technologien haben das Potential zur Schlüsseltechnologie für die zukünftige Informationsgesellschaft zu werden, um Vertraulichkeit in der Kommunikation und ein hohes Datenschutzniveau zu gewährleisten. Damit können Quantenverschlüsselungssysteme zum Schlüsselfaktor für den Erfolg von Diensten im Bereich elektronische Verwaltung, elektronischer Handel und elektronisches Gesundheitswesen werden. Technologien für die Quantenkommunikationsdistribution haben zudem bereits den Anstoß für die Entwicklung neuer Detektoren oder auch von Quanten-Repeatern gegeben. 

Derzeit existieren noch keine unabhängigen Messstandards und Definitionen für diesen Industriezweig. Die Akzeptanz der neuen Verschlüsselungssysteme hängt aber davon ab, inwieweit Nutzer wie Finanzinstitutionen Vertrauen in diese Technologie haben. Auf anderen Gebieten wird dies erreicht, indem es Sicherheitsspezifikationen, Evaluierungen und Zertifizierungen nach standardisierten Vorgaben gibt. Eine Sicherheitszertifizierung von Quantenverschlüsselungssystemen erfordert u. a. standardisierte Eigenschaften der optischen Komponenten wie Photonenquellen, Quantenkommunikationskanälen und Detektoren sowie genauer Kenntnisse aller kritischen Systemkomponenten. Die Sicherheit eines Kanals kann nur garantiert werden, nachdem Messungen durchgeführt wurden, um nachzuweisen, dass der Kanal nicht manipuliert worden ist.

Messstandards und -einrichtungen existieren zwar schon partiell, aber sie sind im allgemeinen nicht für den Bereich ausgelegt, der für Anwendungen mit Einzelphotonen wie im Fall von Quantenverschlüsselungssystemen relevant ist. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird daher eine metrologische Infrastruktur entwickelt werden, die die Charakterisierung von Photonenemittern und -detektoren mit einer operativen Wellenlänge von 1,55 µm ermöglichen wird. Es wird eine Untersuchung des Links zwischen Fasereigenschaften und der Dekohärenz von Photonenquantenzuständen als Informationsträger vorgenommen werden. Hierfür wird ein entsprechender Prüfstand eingerichtet werden. Im Rahmen des Projektes werden Messeinrichtungen entwickelt werden, die die Inline-Kalibrierung von QKD-Systemen erlauben.

Die PTB hat die Verantwortung für das Arbeitspaket, in dem die messtechnische Infrastruktur für die Charakterisierung von Photonendetektoren für QKD bereitgestellt wird.

Weitere Informationen über das Projekt und die Projektpartner:

Projekt-Webseite

Ansprechpartner

Dr. Stefan Kück
Tel.: 0531 592 4500
E-Mail: stefan.kueck@ptb.de