Mit der Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer könnten die heute gängigen Verschlüsselungsmethoden in nur wenigen Minuten geknackt werden. Diese klassischen Verschlüsselungen beruhen darauf, dass bestimmte mathematische Berechnungen für herkömmliche Computer schwer zu lösen sind. Dagegen nutzt die Quanten-Key-Distribution (QKD; auch „Quantenschlüsselaustausch“) die Gesetze der Physik, um geheime Schlüssel zu übertragen, die Daten vor unbefugtem Zugriff schützen. Jeder Versuch, ein Quantensignal mitzulesen, verändert dieses – und macht einen Angriff direkt sichtbar.

Quantensprünge in echten Kommunikationsnetzen

Während Quantenverschlüsselung in Laboren und auf kurzen Strecken bereits gut funktioniert, blieb die Einbindung in reale Netzwerkinfrastrukturen jedoch meist eine Herausforderung. Das Projekt DemoQuanDT hat nun im November 2024 auf 923 km zwischen Berlin und Bonn die herstellerunabhängige Quantenverschlüsselung erfolgreich getestet. Das Besondere: Die Teststrecke nutzt bestehende Glasfaserleitungen und reguläre Betriebsstellen der Deutschen Telekom. Sie ist so konzipiert, dass alle erforderlichen Komponenten und Prozesse in einer wirklichkeitsnahen Umgebung getestet werden können.

Parallel zum Aufbau der Teststrecke wurde von den Projektbeteiligten ein Referenzlabor eingerichtet, um QKD-Hardware zu bewerten und Netzwerksicherheitskonzepte zu erproben. Ein weiteres Kernziel des Projekts war die Entwicklung eines sicheren, netzübergreifenden Managementsystems, das die Verwaltung von Quantenschlüsseln effizient und flexibel gestaltet. Um diese Infrastruktur zu entwickeln, vereint DemoQuanDT unter der Federführung der Deutsche Telekom Technik ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen, Netzbetreibern und Sicherheitsunternehmen.

Von der Forschung in die Praxis: Hybrider Ansatz

Doch damit eine quantengesicherte Infrastruktur wirklich zukunftssicher ist, reicht der physikalisch abhörsichere Schlüsselaustausch allein nicht aus. Die Gründe liegen in der zusätzlich Authentisierung der Quantenschlüssel, in dem notwendigen Vertrauen in die Soft- und Hardware, und den noch fehlenden Standards. Informatikprofessor Marc Fischlin, Experte für Kryptografie an der TU Darmstadt, erklärt: „Wir brauchen ein Zusammenspiel aus mehreren Methoden, um digitale Kommunikation nachhaltig gegen leistungsstarke Quantencomputer zu schützen.“

Genau hier setzt der Projektbeitrag der TU Darmstadt an. Professor Fischlin und Doktorand Sebastian Clermont übernahmen in DemoQuanDT die kryptografische Betrachtung, z.B. dazu ob die Knotenpunkte („Trusted Nodes“) entlang der Strecke kompromittiert werden können oder wie sich Quantenverschlüsselung (QKD) mit Post-Quanten-Kryptografie (PQK) sinnvoll kombinieren lässt. „Dieser hybride Ansatz kombiniert physikalische und komplexe mathematische Sicherheitsverfahren“, erklärt Professor Fischlin. „Das bedeutet, dass wir nicht nur eine, sondern gleich zwei Schutzebenen haben – falls eine kompromittiert werden sollte, bleibt die andere intakt.“ Dieser kombinierte Ansatz wird auch vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfohlen.

Der Weg zu sicherer Quantenkommunikation

Durch den erfolgreichen Test von DemoQuanDT wurde eine wichtige Grundlage für den zukünftigen Ausbau von Quantenkommunikationsnetzen in Deutschland und deren Integration in europäische Netze geschaffen. Einige im Projekt gewonnene Erkenntnisse fließen nun in weiterführende Forschungsprojekte ein. Im Mai 2025 erscheint auf der führenden jährlichen Konferenz EUROCRYPT in Madrid, Spanien, eine wissenschaftliche Betrachtung zu geeigneten Verfahren zur Schlüsselableitung bei hybriden Verfahren, an der Sebastian Clermont und Marc Fischlin beteiligt sind. Weitere wissenschaftliche Fragestellungen zur Schlüsselweitergabe in Quantennetzwerken werden im Rahmen des Nationalen Forschungszentrum für angewandte Cybersicherheit ATHENE in einem gemeinsamen Projekt SATURN zwischen der TU Darmstadt und der Hochschule Darmstadt untersucht.

Und: 2025 hat die UNESCO zum „Internationalen Jahr der Quantenwissenschaften und -technologien“ erklärt. Das ist kein Zufall. Der Wettlauf um die Quantenkommunikation hat begonnen, und Länder, die sich jetzt an die Umsetzung machen, sichern sich technologische Souveränität. DemoQuanDT zeigt, dass Deutschland bereit ist, die Quantenkommunikation der Zukunft mitzugestalten.