Quantenresistente Kryptografie: KIT entwickelt praxistaugliche Lösung

Quantencomputer gefährden bestehende Verschlüsselungssysteme. Ein Projekt unter Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zeigt, wie klassische Kryptografie mit neuer Technik schon heute sicheren Schutz bieten kann – ganz ohne teure Spezialgeräte. Das System wurde erfolgreich mit Standardhardware in Echtzeit demonstriert und könnte bald breit eingesetzt werden.

Die Herausforderung

Mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Quantencomputer wächst eine reale Gefahr für die digitale Sicherheit. Diese Maschinen könnten in Zukunft viele der heute genutzten Verschlüsselungsmethoden aushebeln. Besonders betroffen wären vertrauliche Daten, wie sie etwa beim Online-Banking, in verschlüsselten E-Mails oder Messenger-Diensten übertragen werden.

Der Grund liegt in der besonderen Leistungsfähigkeit von Quantencomputern: Sie können bestimmte mathematische Probleme deutlich schneller lösen als klassische Rechner. „Die gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren basieren auf der Schwierigkeit, große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen“, erklärt Laurent Schmalen, Professor am KIT. Für herkömmliche Computer sei das extrem aufwendig – für Quantencomputer jedoch nicht. „Und wer die Primfaktoren einer großen Zahl kennt, kann die Verschlüsselung brechen.“

Klassische Verschlüsselung neu gedacht

Trotz dieser Bedrohung lässt sich verschlüsselte Kommunikation auch künftig schützen – mit Methoden, die auf einem anderen Prinzip beruhen. Die Forschenden des KIT setzen auf sogenannte symmetrische Verschlüsselung. Dabei tauschen die Beteiligten vor dem Gespräch einen geheimen Schlüssel aus. Nur wer diesen Schlüssel besitzt, kann die Nachricht später entschlüsseln.

Die Technik ist an sich nicht neu. Bisher war sie jedoch schwer praktikabel, weil sie oft auf komplexe, teure Hardware angewiesen war – gerade beim sicheren Schlüsselaustausch. Genau hier setzt das aktuelle Forschungsprojekt an.

Sichere Kommunikation mit Glasfaser-Alltagstechnik

Das Team rund um Schmalen hat bewiesen, dass sich quantensichere Kommunikation auch mit handelsüblicher Glasfasertechnik realisieren lässt – also jener Technik, die in vielen Haushalten bereits für schnelles Internet sorgt. „Wir konnten den Quantenschlüsselaustausch mit Standardhardware aus der Glasfaserkommunikation durchführen“, so Schmalen. Teure Spezialgeräte seien nicht nötig. Ein großer Vorteil: „So können wir das globale Telekommunikationsnetz abhörsicher machen.“

Demonstration in Echtzeit

Am 27. März 2025 testeten die Beteiligten das neue System an der Ludwig-Maximilians-Universität München unter realen Bedingungen. Dabei wurde ein Live-Video über eine Glasfaserleitung am Campus übertragen – abgesichert durch das neue Verschlüsselungsverfahren. Das Besondere: Der Schlüsselaustausch erfolgte sicher, schnell und vollständig mit handelsüblicher Technik.

Die Forschenden entwickelten dazu neue Algorithmen, die den Schlüsselaustausch zuverlässig absichern. Beide Parteien erhalten dabei exakt denselben Schlüssel – selbst wenn die Verbindung schwankt oder gestört wird. Schmalen betont: „Unsere neuen Algorithmen zum Schlüsselabgleich sind ein entscheidender Schritt, um abhörsichere Verbindungen zu gewährleisten. Sie passen sich dynamisch an wechselnde Bedingungen an und verhindern, dass Angreiferinnen und Angreifer Informationen aus dem Schlüsselaustausch gewinnen können.“

Modulares System für breite Anwendung

Auch aus Sicht der Industrie zeigt das Projekt, wie sich Quantenresistenz alltagstauglich umsetzen lässt. Tobias Fehenberger, Forschungsdirektor bei ADVA Network Security, sagt: „Das Projekt markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung quantensicherer Verschlüsselung. Durch die erfolgreiche Validierung eines modularen, leistungsstarken Systems beweist es, dass Quantensicherheit mit kommerziellen Komponenten und einer offenen Architektur praxistauglich eingesetzt werden kann.“

Das Vorhaben mit dem Namen „DE-QOR“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 3,4 Millionen Euro unterstützt. Das KIT erhielt davon rund 350.000 Euro. Zu den Projektpartnern zählen neben dem KIT und ADVA auch die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Leibniz Universität Hannover, sowie die Unternehmen Microwave Photonics GmbH und Creonic GmbH.