Quantenschlüsselverteilung für kritische Infrastruktur
Mit der zunehmenden Gefahr durch Cyberangriffe auf kritische Infrastrukturen sind anwendungsfertige, skalierbare und hochsichere IT-Lösungen von zentraler Bedeutung. Einen vielversprechenden Lösungsansatz zur Verteilung kryptografischer Schlüssel bietet die Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution, QKD). Hierbei wird ein geheimes Schlüsselpaar generiert, welches zur sicheren Datenübertragung eingesetzt werden kann. Die Sicherheit des Schlüsselpaars basiert im Gegensatz zu gängigen Verschlüsselungsverfahren, nicht auf algorithmischen, sondern auf fundamentalen quantenphysikalischen Naturgesetzen: Diese verhindern, dass ein Angreifer unbemerkt Informationen über den Schlüssel abgreifen kann. Eine der größten Herausforderungen bei der Umsetzung von quantensicherer Kommunikation besteht jedoch darin, sogenannte Seitenkanalangriffe auf QKD-Systeme zu verhindern. Ein bekanntes Beispiel sind sogenannte Blinding-Attacken, bei denen Angreifer durch intensive Lichtpulse Lichtdetektoren im QKD-System unbemerkt manipulieren können und dabei an Informationen über den Schlüssel gelangen. Um solchen Angriffsvektoren entgegenzuwirken, ist interdisziplinäre Forschung und Entwicklung notwendig.
Ziel des Vorhabens „Messgerätunabhängige QKD und sichere Systemsynchronisation für ANwendungen in GasleiTsystemen und kritischer InfraStruktur“ (MANTIS) ist die Entwicklung eines QKD-Systems auf Basis des neuartigen Marterialsystems Lithiumniobat-auf-Isolator (LNOI). Mithilfe von LNOI wollen die Forschenden ein chipbasiertes und messgerätunabhängiges QKD-System (MDI-QKD) umsetzen. MDI-QKD ist eine spezielle Form der QKD, bei der mehrere Nutzer Quantensignale an einen zentralen Knoten übermitteln. Durch die Überprüfung der Korrelation von Messergebnissen wird die Vertraulichkeit des Schlüsselaustauschs gewährleistet und eine Reihe bekannter Angriffsvektoren auf das Detektionssystem ausgeschlossen. Als spezifischer Anwendungsfall wird der Einsatz in der sicheren Kommunikation für Gasleitsysteme untersucht.
Das Projekt bietet eine Reihe von Innovationen und eröffnet nachhaltige Forschungs- und Anwendungsperspektiven in der sicheren Kommunikation. Durch die Nutzung der LNOI-Technologie ermöglicht das MDI-QKD-System eine höhere Integration und Miniaturisierung im Vergleich zu aktuellen technologischen Ansätzen. Dies gestattet eine kostengünstigere Produktion und ein breites Anwendungspotenzial. Ein weiterer Vorteil von MDI-QKD liegt in der Einsetzbarkeit für Multi-User-Netze. Mehrere Nutzer, die lediglich mit kostengünstigen Sender-Modulen ausgestattet sind, können ein einziges zentrales Detektionssystem nutzen, was eine vielversprechende Lösung für skalierbare, praktikable Sicherheitslösungen darstellt. Dies eröffnet neue Perspektiven für den Einsatz von MDI-QKD in verschiedenen sicherheitskritischen Bereichen und ermöglicht die Erprobung neuer Anwendungsfälle, insbesondere für die Sicherung von kritischer Infrastruktur.