Mit Licht und Satelliten gegen das Abhören
Ein neuer Satellit und ein grenzüberschreitendes Glasfasernetz sollen den sicheren Austausch geheimer Schlüssel ermöglichen. Die TU Berlin untersucht, wie zuverlässig diese Quantenkommunikation funktioniert – und wie sich ihre Geräte vor Angriffen schützen lassen.
Die Technische Universität Berlin (TU Berlin) erforscht zwei Wege, um vertrauliche Kommunikation besser zu schützen: Der deutsche Satellit QUBE-III soll ab 2030 den Austausch von Quantenschlüsseln per Laser zwischen Erde und Weltall erproben. Das Projekt QUANT-GPICz soll dafür Glasfasernetze in Deutschland, Polen und Tschechien verbinden.
Das Fachgebiet Quantenkommunikationsnetze von Prof. Dr. Anna Pappa ist seit November 2026 am Satellitenprojekt beteiligt. Es erhält dafür 1,36 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt. Für QUANT-GPICz bekommt die TU Berlin rund 700.000 Euro, jeweils zur Hälfte von der Europäischen Union und dem Bundesministerium für Digitales und Staatsmodernisierung (BMDS). Hier arbeitet Pappas Gruppe mit dem Fachgebiet Security in Telecommunications von Prof. Dr. Jean-Pierre Seifert zusammen.
Was Lichtteilchen vor Lauschern schützt
Kommunikation abhörsicher und unangreifbar zu machen, ist im Zeitalter zunehmender Cyberangriffe und asymmetrischer Konfliktführung eine wichtige strategische Aufgabe. Bei der Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) nutzen zwei Kommunikationspartner einzelne Lichtteilchen, um einen gemeinsamen geheimen Schlüssel zu erzeugen. Informationen lassen sich beispielsweise in der Schwingungsrichtung des Lichts speichern.
Versucht ein Angreifer, diese Quantenzustände auszulesen, kann er dabei messbare Veränderungen verursachen. Die Kommunikationspartner vergleichen einen Teil ihrer Ergebnisse. Bei zu vielen Abweichungen verwerfen sie die Übertragung, statt einen möglicherweise unsicheren Schlüssel zu verwenden.
Die eigentlichen Nachrichten werden anschließend mit einem Verschlüsselungsverfahren geschützt. Besonders weit reicht der theoretische Schutz beim sogenannten One-Time-Pad: Dafür muss der Schlüssel wirklich zufällig, mindestens so lang wie die Nachricht und ausschließlich den Kommunikationspartnern bekannt sein. Außerdem darf er nur einmal verwendet werden. Unter diesen Voraussetzungen lässt sich die verschlüsselte Nachricht auch mit unbegrenzter Rechenleistung nicht entschlüsseln.
Die Geräte bleiben angreifbar
Die physikalischen Eigenschaften schützen jedoch nicht automatisch das gesamte Kommunikationssystem. Angreifer können Schwächen der Sende- und Empfangsgeräte ausnutzen, um Schlüssel abzugreifen. Solche Seitenkanalangriffe umgehen den vorgesehenen Schutz, statt die Quantenphysik zu überwinden.
Hinzu kommen technische Störungen: Auch Gerätefehler verändern Messergebnisse und lassen sich nicht immer eindeutig von Abhörversuchen unterscheiden. Im Zweifel muss die Schlüsselverteilung abgebrochen werden.
Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfiehlt deshalb, QKD mit klassischen und Post-Quanten-Verfahren zu kombinieren. Letztere beruhen auf mathematischen Aufgaben, die voraussichtlich auch Quantencomputer nicht effizient lösen können.
Ein Quantennetz über drei Länder
Das von der Hochschule Nordhausen koordinierte Projekt QUANT-GPICz soll unter anderem Berlin, Frankfurt am Main und München mit Krakau, Danzig, Warschau und Prag verbinden. Das 2026 gestartete Vorhaben läuft über drei Jahre.
Für Prof. Dr. Anna Pappa bietet das Netz die Gelegenheit, theoretische Modelle an einer großen Infrastruktur zu überprüfen: „Wir werden hier erstmals die Möglichkeit haben, das Verhalten eines wirklich großräumigen Quantennetzwerks zu untersuchen und mit unseren Simulationen zu vergleichen.“
Warum der Weg ins All führt
Glasfaserverbindungen haben eine Grenze: Je länger die Strecke, desto mehr Lichtteilchen gehen unterwegs verloren. Ein Satellit kann weit entfernte Bodenstationen erreichen und damit regionale Quantennetze verbinden. QUBE-III soll diese Möglichkeit erproben.
Dafür muss ein Laser den schnell vorbeiziehenden Satelliten genau verfolgen. Wolken können die Verbindung blockieren, Luftturbulenzen und Tageslicht die Übertragung stören. Pappas Team untersucht gemeinsam mit Experimentalphysikern, wie solche Einflüsse die Sicherheit beeinträchtigen.
Auch der Satellit selbst muss geschützt sein. „Hinzu kommt die Sicherheit der beteiligten Geräte – in den Bodenstationen ebenso wie auf dem Satelliten selbst, der als Relais-Station die Schlüssel verarbeitet“, erklärt Pappa. Sichere Kommunikation erfordert damit eine durchgehend geschützte Infrastruktur: vom Sender über die Zwischenstation bis zum Empfänger.
- Internationales Konsortium QUANT-GPICz
- QUBE: satellitenbasierte Quantenschlüssel
