Quantum Key Distribution (QKD)

QKD ist ein Verfahren, das die Eigenschaften einzelner Lichtteilchen, sogenannter Photonen, zur sicheren Schlüsselübertragung einsetzt. Die Quintessenz von QKD ist, dass der Messvorgang in der Quantenmechanik das System stört; dies wird als Beobachtungseffekt bezeichnet. Wenn ein Angreifer – häufig als „Eve“ bezeichnet, wobei die legitimen Kommunikationspartner als „Alice“ und „Bob“ bekannt sind – versucht, den Schlüsselaustausch abzuhören, wird die Quanteninformation verändert und die Störung wird für Alice und Bob erkennbar.

Die Implementierung von QKD erfolgt im Allgemeinen über zwei Kanäle: einen quantenmechanischen Kanal, der die Photonen mit der Schlüsselinformation versendet, und einen herkömmlichen, öffentlichen Kanal, über den Informationen über die durchgeführten Messungen ausgetauscht werden. Dieser zweite Kanal muss nicht abhörsicher sein, da die eigentliche Sicherheit durch die Unbestimmtheit und Unschärfe des quantenmechanischen Kanals und die darauf basierenden Messergebnisse gewährleistet wird.

Zwei weit verbreitete Protokolle für QKD sind:

- **BB84**: Das erste und eines der bekanntesten QKD-Protokolle, entwickelt von Charles Bennett und Gilles Brassard im Jahr 1984. Es verwendet vier polarisierte Zustände der Photonen, um die Schlüsselinformation zu codieren.
- **E91**: Entwickelt von Artur Ekert im Jahr 1991, nutzt dieses Protokoll die Quantenverschränkung, wodurch die Messungen von zwei verschränkten Photonen, selbst über große Entfernungen hinweg, miteinander korrelieren.

Eine Schlüsselkomponente des QKD-Prozesses ist das sogenannte „Sifting“, bei dem Alice und Bob ihre Messergebnisse vergleichen, um festzustellen, bei welchen Bits Übereinstimmung besteht, ohne die eigentlichen Schlüsselbits zu verraten. Nach dieser Phase folgen weitere Schritte wie Fehlerkorrektur und Privatheitserweiterung, um die Schlüsselübereinstimmung zu sichern und die Privatsphäre gegenüber einem potenziellen Angreifer zu erhöhen.

Die technische Realisierung von QKD-Systemen umfasst typischerweise fortschrittliche optische Komponenten und kann bei terrestrischen Implementierungen (z.B. über Glasfaserkabel) oder über Satellitenkommunikation erfolgen. Während die Fähigkeit, langstreckige QKD effizient zu implementieren, noch technische Herausforderungen birgt, markiert sie einen spannenden Fortschritt im Bereich der sicheren Kommunikation.

Es ist wichtig zu beachten, dass QKD selbst keine Verschlüsselungsmethode ist, sondern ein Verfahren bietet, um sicher Schlüssel für die Verschlüsselung und Entschlüsselung von Nachrichten auszutauschen. Diese Schlüssel können dann in Kombination mit herkömmlichen Verschlüsselungsmethoden verwendet werden, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten.

Angesichts wachsender Bedenken hinsichtlich Cyber-Sicherheit und der potenziellen zukünftigen Bedrohung durch Quantum Computing, welches konventionelle Kryptosysteme brechen könnte, erfährt QKD zunehmend Aufmerksamkeit als eine Methode, um langfristig sichere Kommunikationsnetzwerke aufzubauen.