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Report | Quantenkryptografie
Quelle:
SECOQC-Projekt
St. Pölten
85 km
M B M C M D
und C gespeichert. Um nun A
und C mit je einem Schlüssel K AC
zu versorgen und so die Lücke
im AB und BC verbindenden
Knoten B sicher zu überbrücken,
bildet das Steuermodul als
gegenseitige One-Time-Pad-Verschlüsselung
aus den laufend
erzeugten K AB und K BC bitweise
über eine XOR-Verknüpfung
ständig neue Schlüssel M B und
speichert diese ebenfalls. Dies
geschieht in allen anderen Knoten
entsprechend. Damit ein Benutzer
das Netz als Endknoten
sicher benutzen kann, benötigt
er nur ein initiales Geheimnis,
um den klassischen Kanal bis
zum nächsten Knoten authentifizieren
zu können, und kann
dann an diesem Spiel teilhaben.
Ist die netzübergreifende
Schlüsselbildung bei A gestartet,
so schickt das Steuermodul B die
kombinierten Schlüssel M B laufend
über einen beliebigen authentifizierten
öffentlichen Kanal
an den an der Bildung der lokalen
Schlüssel beteiligten Knoten
C weiter. Das Steuermodul C
zieht von jedem M B den jeweils
zugehörigen, ihm bereits bekannten
Schlüssel K BC für seine
eigene Verbindung wieder ab
und erhält so ständig neue
Schlüssel K AB . A und C haben
nun beide gemeinsame, mit K AB
identische Quantenschlüssel K AC ,
die sie für die Kommunikation
zwischen A und C beliebig verwenden
können.
Im Netzwerk kann man dieses
Spiel über beliebig viele Zwischenstationen
fortsetzen, wobei
jeder neu kombinierte Schlüssel
jeweils eine Station weiterreicht,
bis schließlich die beiden prinzipiell
beliebig weit voneinander
entfernten Endnutzer den gleichen
gemeinsamen Quantenschlüssel
erhalten haben.
Allerdings kennen bei diesem
Verfahren auch die Trusted Repeater
alle jeweils über sie vermittelten
Schlüssel. Um sich
nicht völlig darauf verlassen zu
müssen, dass die Knotenpunkte
ausreichend nach außen gesichert
sind, nutzt man daher zusätzlich
das Prinzip des geteilten
Geheimnisses (Secret Sharing).
Dieses klassische Prinzip kann
man informationstheoretisch sicher
implementieren: Zunächst
teilt man die Nachricht auf verschiedene
Pakete auf und
schleust dann jedes Paket auf
einem unabhängigen Pfad durch
das Netzwerk zum Empfänger.
Um die vollständige Nachricht
abfangen zu können, muss man
in jedem der möglichen Pfade
einen Repeater anzapfen. Gleichzeitig
schützt dieses Verfahren
natürlich auch im Quantennetzwerk
gegen Ausfälle von Einzelstrecken.
Sicherheitsanalysen
Trotz der Fortschritte, die das SE-
COQC-Projekt demonstriert hat,
müssen die Forscher aber wohl
auch weiterhin noch mit Skepsis
rechnen, die nicht zuletzt mit
gelegentlichen Meldungen angeblicher
„Hacks“ der Quantenkryptografie
zusammenhängt. So
ärgert sich der Leiter der SE-
COQC-Arbeitsgruppe zur Quanteninformationstheorie
Norbert
Lütkenhaus von der University of
Waterloo in Kanada und der Universität
Erlangen-Nürnberg noch
K AB K BC K CD K DE
Breitenfurter Straße
19 km
Gudrunstraße
Knoten A Knoten B Knoten C Knoten D Knoten E
Solange es noch keine Quanten-Repeater gibt, muss die
Weitergabe der Schlüssel in den Knoten des Quantennetzwerks
von einer Verbindung zur nächsten mit lokalen geheimen
Schlüsseln M Y abgesichert werden, die der Repeater aus den
Verbindungsschlüsseln K XY und K YZ bildet.
22 km
32 km
6 km
25 km
Siemensstraße
Erdberg
Fünf Techniken zu einem Quanten-Backbone integriert:
Unterschiedliche Paare von Empfangs- und Sendegeräten
verbanden die Knoten des SECOQC-Netzwerks. Steuermodule
(rosa) in jedem Knoten vermittelten deren Zusammenspiel.
16 km
immer über eine Meldung des
Wissenschaftsmagazins „Nature“
im April 2007, die für viel Aufsehen
sorgte. Sie griff eine im Fachjournal
Physical Review A von
Forschern des Massachusetts Institute
of Technology (MIT) publizierte
Arbeit auf. Darin beschreibt
die Gruppe, dass sie
einen Angriff auf das BB84-Protokoll
experimentell umgesetzt
hat. Bei diesem Angriff versteckt
sich der Lauscher quasi im Rauschen
der Detektoren.
Laut Lütkenhaus hatte man
allerdings schon Jahre zuvor in
theoretischen Arbeiten aufgezeigt,
wie solche Angriffe abgewehrt
werden können. Obwohl
sie diese Gegenmaßnahmen
nicht implementiert hatten,
waren die MIT-Forscher überzeugt,
die bisher stärkste Sicherheitslücke
demonstriert zu haben.
Im Januar 2008 veröffentlichte
dann eine Gruppe um Isabelle
Herbauts als Antwort ein
Paper im Magazin „European
Physical Journal D“, das allerdings
weit weniger beachtet
wurde als die „Nature“-Meldung.
Die Arbeit entkräftete nochmals
mehrere Klassen von Attacken,
zu denen auch die vom MIT implementierte
zählt.
Ein ernstes Problem sieht Lütkenhaus
nur bei Seitenkanalattacken,
die die Unzulänglichkeiten
von Sende- und Empfangsanlagen
ausnutzen. Seitenkanalattacken
sind Angriffe, die physikalische
Implementierungen kryptografischer
Geräte ins Visier
nehmen: etwa, indem sie deren
Energieverbrauch oder Rechenzeit
beim Abarbeiten einer Aufgabe
beobachten. Bei der Quantenschlüsselverteilung
bestand
Bild: SECOQC-Projekt/ARC
kürzlich ein derartiger Angriff
von Forschern um Vadim Makarov
von der Uni Trondheim
darin, Bobs Detektoren mittels
gut getimter heller Laserpulse zu
manipulieren. Die Pulse setzten
die Empfindlichkeit der Detektoren
kurz herab, was dazu führte,
dass die Angreifer letztendlich
unbemerkt die Kontrolle über
Bobs Detektoren erlangten.
Geknackt wäre die Quantenschlüsselverteilung
dennoch
nicht, sagt Lütkenhaus, denn es
sei nach wie vor noch kein ganzer
Schlüssel unbemerkt ausgelesen
worden. Allerdings müsse
man nun die theoretischen Modellannahmen
zu den Geräten
noch nachbessern, um auch diesen
Angriff über eine Anpassung
bei der Schlüsselerstellung auffangen
zu können, was wiederum
die Schlüsselerzeugungsrate
senkt. Das Problem der Seitenkanalattacken
habe man aber
genauso in der herkömmlichen
Kryptografie, dies sei kein spezifisches
Problem der Quantenkryptografie.
Und natürlich muss man, um
die – noch klassisch – abgespeicherten
Schlüssel zu schützen,
die beteiligten Rechner auch
weiterhin mit klassischen Mitteln
gegen Einbrüche aller Art sichern.
Die absolute Sicherheit
der Quantenkryptografie bezieht
sich nur auf die Verteilung selbst.
Auch wenn die Quantenschlüsselverteilung
damit nicht
völlig unangreifbar ist, bringt sie
unbestreitbar große Vorteile mit
sich. So ist es möglich, über Maßnahmen,
die auf theoretischen Sicherheitsbetrachtungen
zu konkreten
quantenkryptografischen
Aufbauten fußen, Lauscher ins
Leere laufen zu lassen: Sie können
nur einen verschwindend
kleinen Teil des Schlüssels unbemerkt
ausspähen, dennoch verbuchen
Alice und Bob, wenn sie
den Schlüssel notwendigerweise
nachbessern, keinen nennenswerten
Mehraufwand. Dieser
Mehraufwand kann sogar beziffert
werden, sodass Alice und
Bob das Wissen des Spions über
den Schlüssel exponentiell klein
halten können.
Weiter forschen
Neben den Sicherheitsbetrachtungen,
die ein Forschungsgebiet
für sich sind, kümmern sich die
Wissenschaftler auch intensiv um
die Weiterentwicklung der Detektoren,
die als der Flaschenhals
70 c’t 2009, Heft 2
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