Quantenschlüsselaustausch im deutschen Telekommunikationsnetz für höhere IT-Sicherheit
Mit der stetigen Entwicklung digitaler Technologien schreitet auch die Digitalisierung im Bereich der kritischen Infrastrukturen, etwa von Strom- und Wasserwerken oder Kommunikationsnetzwerken voran. Bei den aktuell eingesetzten Verschlüsselungsverfahren können Quantencomputer jedoch perspektivisch die Sicherheit von Telekommunikationsnetzen angreifen. Hieraus resultiert eine besondere Gefahr für kritische Infrastrukturen. Mit dem Einsatz von Quantenkommunikation ist eine quantenverschlüsselte und damit quantencomputerresistente Informationsübertragung möglich. Spezielle Geräte, die einzelne Lichtquanten für einen Quantenschlüsselaustausch (QKD) erzeugen können, müssen hierfür in bestehende Glasfasernetze integriert werden. Bisher wurden jedoch nur kleine Übertragungsnetze realisiert, mit starren Punkt-zu-Punkt- oder sternförmigen Verbindungen, bei der alle Einzelteile der Gesamtlösung von einem Anbieter kommen. Eine Lösung, die unabhängig vom Hersteller der QKD-Hardware ist und einen flexiblen Quantenschlüsselaustausch zwischen beliebigen Punkten ermöglicht, existiert noch nicht.
Ziele des Vorhabens „Anwendungsorientierte Demonstration von Quantenkommunikation in Deutschland“ (DemoQuanDT) sind die Erforschung, Entwicklung und Demonstration eines sicheren und netzübergreifenden QKD-Netzwerkmanagements, innerhalb dessen Quantenschlüssel herstellerunabhängig verteilt und genutzt werden können. Hierfür wird zunächst ein Referenzlabor aufgebaut, in dem vorbereitende Tests zu Fragen wie der Netzverträglichkeit eines QKD-Geräts und der Schnittstellenkompatibilität untersucht werden. Im nächsten Schritt wird eine Quantenkommunikationsteststrecke zwischen Berlin und Bonn aufgebaut. Die dafür notwendige Glasfaserinfrastruktur wird derart ausgestaltet, dass sie jener des bestehenden Telekommunikationsnetzes bereits stark ähnelt. Damit ist sichergestellt, dass die Forschungsergebnisse in einer realitätsnahen Umgebung gewonnen werden. Zwei Kommunikationspunkte der Teststrecke werden außerdem derart ausgestaltet, dass die gesamte Informationsverarbeitungskette von der untersten Hardwareebene bis hin zur Anwendung mit Einsatz von Quantenschlüsseln demonstriert werden kann. Auf der Teststrecke soll zudem die Widerstandsfähigkeit des QKD-Netzes im Fehlerfall erprobt werden.
Die anwendungsnahe Demonstration eines QKD-Netzes über alle für den praktischen Betrieb notwendigen Komponenten, Systeme und Prozesse hinweg, ist ein fundamentaler Schritt, für den Aufbau eines real einsetzbaren QKD-Netzes in Deutschland. Das im Vorhaben aufgebaute QKD-Referenzlabor bietet die Möglichkeit der Weiterentwicklung zu einer öffentlich nutzbaren und ggf. akkreditierten QKD-Prüfstelle und stellt so einen zentralen Baustein für die Quantenkommunikationsindustrie in Deutschland dar. Auf Grundlage der Teststrecke des Vorhabens soll perspektivisch ein QKD-Netz aufgebaut werden, welches es ermöglicht, Quantenschlüssel an beliebigen Endpunkten in Deutschland zur Verfügung zu stellen. Dieses deutschlandweite QKD-Netz lässt sich langfristig auch an ein europäisches QKD-Kernnetz anbinden.