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Universität Basel

12. Juni 2020

Mit Rauschen hin zu sicherer Kommunikation

Drei mit Kabeln verbundene Kästchen, die die verschiedenen Geräte repräsentieren
Schema des Sicherheitsprotokolls: Ein Gerät (Mitte) erzeugt den Kryptoschlüssel, codiert in Form von verschränkten Paaren von Lichtteilchen, die dann an die beiden kommunizierenden Geräte (Alice und Bob) übertragen werden. Die Verschlüsselung in Teilchenpaaren gewährleistet Sicherheit, da es kein drittes Teilchen gibt, das von einem «Lauschangreifer» abgefangen werden kann. (Illustration: Departement Physik, Universität Basel)

Wie lässt sich Kommunikation vor «Lauschangriffen» schützen, auch wenn die kommunizierenden Geräte selbst nicht vertrauenswürdig sind? Das ist eine der Hauptfragen der Quantenkryptographie-Forschung. Forschende der Universität Basel und der ETH Zürich haben die theoretischen Grundlagen für ein Kommunikationsprotokoll geschaffen, das die Privatsphäre hundertprozentig garantiert.

Hacker im Besitz eines Quantencomputers stellen eine ernsthafte Bedrohung für heutige Kryptosysteme dar. Deshalb arbeiten Forschende an neuen Verschlüsselungsmöglichkeiten auf Basis von Prinzipien der Quantenmechanik. Bisherige Verschlüsselungsprotokolle gehen jedoch davon aus, dass die kommunizierenden Geräte gut charakterisiert und vertrauenswürdig sind. Was aber, wenn das nicht der Fall ist und die Geräte allenfalls eine Hintertür für Lauschangriffe offenlassen?

Ein Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Nicolas Sangouard von der Universität Basel und Prof. Dr. Renato Renner von der ETH Zürich hat die theoretischen Grundlagen für ein Kommunikationsprotokoll entwickelt, das einen ultimativen Schutz der Privatsphäre bietet und sich experimentell verwirklichen lässt. Dieses Protokoll garantiert die Sicherheit nicht nur gegenüber einem Gegner mit einem Quantencomputer, sondern auch in Fällen, in denen die zur Kommunikation verwendeten Geräte «Blackboxes» sind, über deren Vertrauenswürdigkeit nichts bekannt ist. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters» und haben ein Patent angemeldet.

Information mit Rauschen verdünnen

Zwar gibt es bereits einige theoretische Vorschläge für derlei Kommunikationsprotokolle mit Blackboxes, ihrer Umsetzung im Experiment stand jedoch eine Hürde im Wege: Die verwendeten Geräte müssen die Information über den Kryptoschlüssel mit hoher Effizienz detektieren. Bleibt ein zu grosser Anteil der Informationseinheiten (in Form verschränkter Paare von Lichtteilchen) «verschollen», lässt sich nicht sicherstellen, ob sie durch eine dritte Partei abgefangen wurden.

Das nun vorgestellte Protokoll überwindet diese Hürde mit einem Trick: Der tatsächlichen Information über den Kryptoschlüssel fügten die Forschenden künstliches Rauschen hinzu. Selbst wenn ein grösserer Teil der Informationseinheiten undetektiert bleibt, erhält ein «Lauschangreifer» so wenig echte Information über den Kryptoschlüssel, dass die Sicherheit des Protokolls gewährleistet bleibt. Damit erhöhen die Forschenden die Toleranzschwelle für den Verlust an Information, bis zu der die Sicherheit der Kommunikation immer noch gewährleistet bleibt.

«Da es inzwischen die ersten Quantencomputer im kleinen Massstab gibt, sind neue Lösungen zum Schutz der Privatsphäre dringend erforderlich», sagt Sangouard. «Unsere Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn für den nächsten Meilenstein in der sicheren Kommunikation dar.»

Originalbeitrag

M. Ho, P. Sekatski, E.Y.-Z. Tan, R. Renner, J.-D. Bancal und N. Sangouard
Noisy pre-processing facilitating a photonic realisation of device-independent quantum key distribution
Physical Review Letters (2020), doi: 10.1103/PhysRevLett.124.230502


Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Nicolas Sangouard, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 39 15, E-Mail: nicolas.sangouard@unibas.ch

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