Opti­sche draht­lo­se quan­ten­si­che­re Kom­mu­ni­ka­ti­on

Frei­strahl-QKD und Li-Fi in einem Sys­tem:

Das deut­sche QuIN­Si­Da-Kon­sor­ti­um hat einen bedeu­ten­den Schritt in Rich­tung mobi­ler quan­ten­si­che­rer Kom­mu­ni­ka­ti­on erreicht. Es demons­trier­te einen ein­zig­ar­ti­gen Frei­strahl-Daten­über­tra­gungs­ka­nal, der erst­mals Li-Fi sowie die wich­tigs­ten Imple­men­tie­run­gen der Quan­ten­schlüs­sel­ver­tei­lung (engl. Quan­tum Key Dis­tri­bu­ti­on, QKD) unter­stützt. Dar­über hin­aus inte­griert das Sys­tem eine Ver­schlüs­se­lung mit Schlüs­sel­ma­nage­ment (KMS: Key Manage­ment Sys­tem) und Moni­to­ring und ver­deut­licht damit die tech­no­lo­gi­sche Rei­fe die­ses Ansat­zes. Die­se Archi­tek­tur ermög­licht die Bereit­stel­lung quan­ten­si­che­rer Schlüs­sel, ohne auf Glas­fa­ser oder Funk ange­wie­sen zu sein, und eröff­net neue Mög­lich­kei­ten für Hoch­si­cher­heits­netz­wer­ke, bei denen eine fle­xi­ble Infra­struk­tur wün­schens­wert ist.

Illus­tra­ti­on der QuIN­Si­Da-Visi­on: quan­ten­si­che­re opti­sche draht­lo­se Ver­bin­dun­gen zwi­schen fes­ter Infra­struk­tur und mobi­len Platt­for­men (z. B. Fahr­zeu­ge, Schif­fe, Droh­nen, usw.) – unter Ver­wen­dung von Frei­strahl-QKD und Li-Fi, inte­griert mit Schlüs­sel­ma­nage­ment, Ver­schlüs­se­lung und Netz­werk­über­wa­chung.

Bis­lang basier­ten die meis­ten Quan­ten­t­e­le­kom­mu­ni­ka­ti­ons­sys­te­me auf dedi­zier­ten Glas­fa­ser­net­zen, was ihre Fle­xi­bi­li­tät und Ein­satz­mög­lich­kei­ten ein­schränk­te. QuIN­Si­Da hat nun im Labor einen inte­grier­ten, optisch draht­lo­sen Quan­ten­si­cher­heits­auf­bau ent­wi­ckelt, der Frei­strahl-Con­ti­nuous- und Dis­crete-Varia­ble QKD (CV-/DV-QKD) mit Li-Fi kom­bi­niert und mit einer Ver­schlüs­se­lung samt Schlüs­sel­ma­nage­ment (KMS) und Moni­to­ring erwei­tert. Das Sys­tem arbei­tet über eine opti­sche Sicht­ver­bin­dung (line-of-sight) und ermög­licht eine quan­ten­si­che­re Schlüs­sel­ver­tei­lung für Anwen­dun­gen in der zivi­len kri­ti­schen Infra­struk­tur (z. B. Ver­net­zung im mari­ti­men Bereich), Indus­trie­cam­pus, Luft­fahrt, Auto­mo­bil­um­ge­bun­gen, tem­po­rä­re siche­re Netz­wer­ke sowie fes­te-zu-mobi­le Ver­bin­dun­gen. Das Design erlaubt eine kom­for­ta­ble Bereit­stel­lung und Über­wa­chung des Sys­tems und bleibt dabei kom­pa­ti­bel mit bestehen­den Sicher­heits-Work­flows. Mit die­ser Ent­wick­lung rückt Deutsch­land einem Zukunfts­sze­na­rio näher, in dem quan­ten­si­che­re Kom­mu­ni­ka­ti­on zuneh­mend für mobi­le Sicher­heits­an­wen­dun­gen genutzt wird, die über­all dort ein­ge­setzt wer­den kön­nen, wo opti­sche draht­lo­se Ver­bin­dun­gen mög­lich sind. Dies bringt quan­ten­si­che­re Ver­schlüs­se­lung in rea­le Betriebs­um­ge­bun­gen und bie­tet ein leis­tungs­fä­hi­ges Werk­zeug zum Schutz kri­ti­scher Infra­struk­tu­ren.

Tech­ni­sche High­lights
Der Durch­bruch wur­de in einem Ansatz erzielt, der auf einer Kom­bi­na­ti­on von Li-Fi und QKD basiert und eine Sicht­ver­bin­dung ermög­licht. Dabei wer­den Li-Fi und QKD in der­sel­ben opti­schen draht­lo­sen Umge­bung inte­griert:

  • Con­ti­nuous-Varia­ble QKD bei 1550 nm
  • Dis­crete-Varia­ble QKD bei 810 nm
  • Li-Fi im Bereich von 850–940 nm

Die Wel­len­län­gen­tren­nung sowie die opti­sche Fil­te­rung ermög­li­chen den gleich­zei­ti­gen Betrieb aller drei Sys­te­me, ohne dass dabei gegen­sei­ti­ge Stö­run­gen auf­tre­ten. Das Post-Pro­ces­sing der QKD-Daten erfolgt über die Li-Fi-Ver­bin­dung, anstatt einen dedi­zier­ten Kanal zu bean­spru­chen. Die Li-Fi Ver­bin­dung ist also der ein­zi­ge Kanal, der für die klas­si­sche Kom­mu­ni­ka­ti­on not­wen­dig ist.

Sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung des tech­no­lo­gi­schen Auf­baus: Unten erzeugt das QKD-Sys­tem quan­ten­si­che­res Schlüs­sel­ma­te­ri­al mit­hil­fe der quan­ten­ba­sier­ten Frei­strahl­ver­bin­dung (PAT) und des Li-Fi-Kanals. Die Schlüs­sel wer­den vom KMS abge­ru­fen und ver­wal­tet. Der Encryp­tor über­nimmt die Nutz­da­ten aus der Benut­zer­an­wen­dung – bei­spiels­wei­se bei Bob – und ver­schlüs­selt sie mit einem Schlüs­sel aus dem KMS. Die ver­schlüs­sel­ten Daten wer­den über die Li-Fi Ver­bin­dung an die zwei­te Par­tei – Ali­ce – gesen­det. Ali­ces Encryp­tor ent­schlüs­selt die Daten mit dem sym­me­tri­schen Schlüs­sel, der aus ihrem syn­chro­ni­sier­ten KMS abge­ru­fen wird.

Die Auf­recht­erhal­tung einer sta­bi­len opti­schen Frei­strahl­ver­bin­dung erfor­dert eine prä­zi­se Aus­rich­tung, wel­che das QuIN­Si­Da-Sys­tem mit­hil­fe eines Poin­tin­g/Ac­qui­si­ti­on/­Track­ing-Sub­sys­tems (PAT) erreicht. Li-Fi unter­stützt die Iden­ti­fi­zie­rung bzw. Loka­li­sie­rung der End­punk­te und stellt einen Feed­back-Kanal bereit, wodurch das PAT die Aus­rich­tung für die Quan­ten­ver­bin­dung erfas­sen und auf­recht­erhal­ten kann. Im Pro­jekt wur­de ein Schnitt­stel­len­kon­zept imple­men­tiert, bei dem sowohl CV-QKD als auch DV-QKD zum Ein­satz kamen und alle für QKD rele­van­ten Signal­ei­gen­schaf­ten erhal­ten blei­ben. Die Steue­rung und Tele­me­trie des PAT sind voll­stän­dig in den gesam­ten Kom­mu­ni­ka­ti­ons­fluss inte­griert. Gleich­zei­tig wer­den Netz­werk­ma­nage­ment-Work­flows sowie Tele­me­trie (z.B. über einen gNMI-basier­ten Ansatz) an QKD-/Li-Fi-/PAT-Kom­po­nen­ten ange­passt. Damit ent­steht ein End-to-End-Sys­tem, das über eine rei­ne Labor­de­mons­tra­ti­on hin­aus­geht und für rea­le Ein­sät­ze in Berei­chen mit erhöh­ten Sicher­heits­an­for­de­run­gen aus­ge­legt ist.

Kon­sor­ti­um
QuIN­Si­Da wur­de von einem Kon­sor­ti­um aus sechs Part­nern durch­ge­führt: KEE­Quant GmbH (Koor­di­na­ti­on; CV-QKD, Inte­gra­ti­on des Schlüs­sel­ma­nage­ments), Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pho­to­ni­sche Mikro­sys­te­me IPMS (Li-Fi- und Frei­strahl-Ver­bin­dungs­kom­po­nen­ten; PAT), Fraun­ho­fer-Insti­tut für Ange­wand­te Optik und Fein­me­cha­nik IOF (Bei­trag zu DV-QKD), Info­sim GmbH & Co. KG (Inte­gra­ti­on von Moni­to­ring- und Netz­werk­ma­nage­ment-sys­te­men), TELCO TECH GmbH (Inte­gra­ti­on der Ver­schlüs­se­lung) sowie BES­Com Elek­tro­nik GmbH (Anwen­dungs­fäl­le, Trans­fer und Ver­brei­tung).

QuIN­Si­Da-Part­ner bei der fina­len Labor­de­mons­tra­ti­on des inte­grier­ten opti­schen draht­lo­sen Sicher­heits-Stacks.

Pres­se Kon­takt
KEE­Quant GmbH (Koor­di­na­tor): Imran Khan, press@keequant.com
Fraun­ho­fer IPMS: Ste­phan Kube, stephan.kube@ipms.fraunhofer.de
Fraun­ho­fer IOF: Dani­el Hei­nig, daniel.heinig@iof.fraunhofer.de
Info­sim: Ste­fan Kreml­ing, kremling@infosim.net
TELCO TECH: Bernd Schulz, bschulz@telco-tech.de
BES­Com: Faou­zi Takni, faouzi.takni@bescom.de
 

Ver­öf­fent­licht von KEE­Quant
Die KEE­Quant GmbH ist ein Start-up-Unter­neh­men mit Spe­zia­li­sie­rung auf quan­ten­si­che­re Kom­mu­ni­ka­ti­on. Ihr Kern­ge­schäft ist die Ent­wick­lung und der Ver­trieb von Sys­te­men zur Quan­ten­schlüs­sel­ver­tei­lung (QKD), Key-Manage­ment-Sys­te­men (KMS) sowie hybri­den Anwen­dun­gen der Post-Quan­ten-Kryp­to­gra­fie (PQC). Die Minia­tu­ri­sie­rung der QKD-Tech­no­lo­gie auf pho­to­ni­sche Chips bil­det zusam­men mit der Zer­ti­fi­zie­rung und Zulas­sung des Gesamt­sys­tems die Grund­la­ge für lang­fris­tig siche­re Kom­mu­ni­ka­ti­on. So bleibt gewähr­leis­tet, dass sicher­heits­kri­ti­sche Daten­strö­me der Nut­zer auch in zukünf­ti­gen Bedro­hungs­sze­na­ri­en — etwa bei Angrif­fen mit leis­tungs­fä­hi­gen Quan­ten­com­pu­tern — vor unbe­fug­tem Zugriff geschützt blei­ben.

För­de­rung Aner­ken­nung
QuIN­Si­Da wur­de vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für For­schung, Tech­no­lo­gie und Raum­fahrt (BMFTR, ehe­mals BMBF) unter den Pro­jekt­num­mern 16KISQ082K, 16KISQ083‑6, im Rah­men der För­der­maß­nah­me “Loka­le Net­ze zur Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on (Q‑LAN)” geför­dert.


Quel­len­nach­weis: https://www.keequant.com/press-release-quinsida-2026/#Press%20release%20(DE)