Die Anwendungsszenarien der »Quantum Key Distribution«
Der Quantenschlüsselaustausch (engl. »Quantum Key Distribution«, kurz QKD) bildet den Ausgangspunkt für die Anwendung quantensicherer Kommunikation, wie sie im Rahmen der QuNET-Initiative erforscht wird. Hieraus werden in einem Strategieprozess die technologischen sowie sonstigen Forschungs- und Entwicklungsbedarfe abgeleitet.
Die QuNET-Initiative hat es sich zum Ziel gesetzt, zusammen mit staatlichen Behörden sowie der Privatwirtschaft belastbare Lösungen für eine quantensicherere IT-Infrastruktur vorzubereiten. Um konkrete Lösungen zu erarbeiten, werden drei Anwendungsszenarien als Ausgangspunkt genutzt und weiterentwickelt.
In allen drei Szenarien wird angestrebt, Verschlüsselung basierend auf »Post-Quanten-Kryptografie« (PQK) zu nutzen.
Anwendungsszenario 1
Im ersten Szenario wird eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung mittels QKD zwischen zwei Nutzer:innen in jeweils einem Hochsicherheitsbereich aufgebaut.
Anwendungsfelder
- Kommunikation zwischen zwei Behörden z. B. für ausgewählte Videokonferenz-Leitung, Speicher für Dokumente mit Geheimhaltungscharakter oder für die Übertragung sensibler Daten mit langen Geheimhaltungsfristen
- Kundennahe, individuelle Sonderanwendungen auf der Datenebene
- Kopplung von zwei Rechenzentren, z. B. in Banken oder von privaten Firmen
- Transnationale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen per Satellit
Anwendungsszenario 2
Anwendungsfelder
- Absicherung kritischer Infrastruktur sowie von Behördennetzen (mehr als zwei Behörden)
- Absicherung des Management- und Control-Plane-Verkehrs der kritischen Infrastrukturen und von Kommunikationsnetzen der Telekommunikationsanbieter
- Großkundenanwendungen auf der Data-, Management- und Control-Plane in Kommunikationsnetzen, z. B. in Stern-Architekturen, bei denen mehrere Rechenzentren bzw. Behörden miteinander verbunden sind, wobei ein Rechenzentrum bzw. eine Behörde das Zentrum bildet
Anwendungsszenario 3
Anwendungsfelder
- einzelne Mitarbeiter:innen bzw. Arbeitsgruppen innerhalb eines Hochsicherheitsbereichs oder einer Behörde (z. B. Schlüsseltankstellen)
- Industrie und Behörden mit sehr großer Nutzerzahl (verstärkte Relevanz von Skalierbarkeit und Kosten)
Anwendungsszenarien über QKD hinaus
Über die Quantenschlüsselverteilung hinaus können Multi-User-Netze für allgemeine Zustandsübertragungen eingesetzt werden.
Anwendungspotenziale liegen beispielsweise in folgenden Bereichen:
- Vernetzung von Quantencomputern
- Verteilung der Zeitstandards
- Verbesserung von Positionierungssystemen
- Sichere und dezentrale Speicherung von Daten
Technische Anforderungen an QKD
- A1. Anwendungsoptimierte Schlüsselrate/Nutzdatenrate
- A2. Allgemeine Sicherheitsbetrachtung (inklusive Zertifizierung, Zulassung und hybride Verfahren)
- A3. Praktikable Reichweite
- A4. Interoperabilität, Nachrüstfähigkeit & Standardisierte Architektur (z. B. EuroQCI, beyond QKD) & Komponenten (z. B. Quanten-Repeat
- A5. Hohe Zustandsgüten in der Quantenzustandsübertragung
- A6. Optimierte Hardware für QKD-Systeme und Quantenkanäle
- A7. Effiziente & agile Netzwerktopologien
- A8. Resilienz
Darüber hinaus werden im Rahmen von QuNET kontinuierlich weitere Forschungsfragen durch Partner:innen im QuNET-Innovationsökosystem identifiziert. Diese ergeben sich aus den stark interdisziplinären Projektarbeiten und werden fortlaufend aktualisiert und neu benannt.
Bei der Bewältigung dieser technischen Anforderungen spielen auch Basistechnologien eine zentrale Rolle. Diese sind in Deutschland bereits vielfach in hoher Qualität vorhanden, müssen jedoch noch anwendungsoptimiert, standardisiert und miniaturisiert werden.