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Digitale Transformation

FHNW-Forschende verschlüsseln WLAN mit quantensicheren Algorithmen

Einem Forschungsteam der Hochschule für Technik FHNW ist es gelungen, Daten zwischen einer Drohne und einer Bodenstation quantensicher per WLAN zu übermitteln. Damit demonstriert das Team die praktische Anwendbarkeit der sogenannten Post-Quantenkryptographie bei begrenzten Ressourcen.

Abbildung 1: Prof. Dr. Christoph Wildfeuer (links) zusammen mit dem Master-Student Raffael Anklin (rechts) auf dem Dach des FHNW Campus Brugg-Windisch (Foto: Frank Imhof).

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Quantencomputern einen enormen Schub erhalten. Grossunternehmen wie Google oder IBM stellen ihre Fortschritte medienwirksam zur Schau. Die Deutsche Regierung investiert über eine Milliarde Euro in einen Quantencomputer «Made in Germany» . Die Schweiz fasst ihre Tätigkeiten in den Nationalen Forschungsschwerpunkten «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» und «SPIN: Spin-Qubits in Silizium» zusammen. Potentiell könnte ein Quantencomputer mathematische Probleme in Sekunden lösen, wofür ein konventioneller Supercomputer Jahre gebraucht hätte. Experten rechnen damit, dass dies bereits in den nächsten 10 Jahren Realität wird.

Quantencomputer gefährden Cyber Security

Die Aussicht auf Quantencomputer führt aber auch zu Besorgnis im Bereich der Cyber Security: Ein Quantencomputer könnte mit seiner enormen Rechenpower bisher sichere Verschlüsselungsverfahren in kurzer Zeit knacken. Deswegen gibt es bereits heute weltweite Bestrebungen, quantensichere Verfahren einzuführen. Das National Institute of Standards and Technology NIST – eine Bundesbehörde der USA – evaluiert gegenwärtig quantensichere Verschlüsselungsmechanismen. Dieses Forschungsgebiet ist in der Fachwelt unter dem Begriff Post-Quantenkryptographie bekannt und hat im Gegensatz zur Quantenkryptographie den Vorteil, dass keine spezielle Hardware benötigt wird. (siehe Box).

Abbildung 2: Das Forschungsteam rüstete die kleine Drohne mit dem Minicomputer Raspberry Pi 4 aus.

In einem von der Stiftung FHNW geförderten Projekt hat das Forschungsteam um Prof. Dr. Christoph Wildfeuer bereits eine drahtgebundene Internet-Verbindung mit quantensicheren Algorithmen verschlüsselt. Jetzt ist es ihnen gelungen, auch über eine WLAN-Verbindung Daten quantensicher zu versenden. Dazu haben sie Daten von einer Drohne auf eine bis zu 500 Meter entfernte Bodenstation übertragen.

«Wir wollten zeigen, dass quantensichere Verschlüsselungssysteme bereits für praktische Anwendungen genutzt werden können», sagt Christoph Wildfeuer vom Institut für Sensorik und Elektronik FHNW. Um das zu demonstrieren, haben die Forschenden die Verschlüsselungsalgorithmen auf dem Minicomputer Raspberry Pi 4 implementiert und diesen auf einer Drohne platziert. «Durch die Verwendung einer kleinen Drohne wird augenfällig, dass kein grosses Gerät für die quantensichere Datenübertragung benötigt wird», erklärt Wildfeuer, «auch mit wenig Ressourcen lässt sich so etwas realisieren.»

Zudem konnte das Forschungsteam zeigen, dass der quantensichere Austausch von Daten auch mit dynamischen Objekten wie einer Drohne möglich ist. Zusammen mit dem geringen Energieverbrauch ist das besonders für Anwendungen im Bereich des «Internet of Things», also der Verbindung von physischen Objekten mit virtuellen Systemen, sehr vielversprechend.


Die Kryptographie der Zukunft

Es gibt zwei wichtige Ansätze, wie Daten in Zeiten von Quantencomputern sicher ausgetauscht werden können. Beim Quanten-Schlüsselaustausch (Quantum Key Distribution oder kurz QKD) werden mit Hilfe quantenmechanischer Effekte identische kryptographische Schlüssel erzeugt und ausgetauscht. Der Austausch geschieht mittels Licht bez. Photonen. Sender und Empfänger müssen darum spezielle Hardware für die Erzeugung oder den Empfang verschränkter Photonen haben.

Bei Post-Quantum Kryptography (PQK) werden bestehende Public-Key Verfahren durch Algorithmen ersetzt, die auch von einem Quantencomputer nicht in vernünftiger Zeit geknackt werden können. Diese Algorithmen nennt man dann «quantensicher». Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie keine neue Hardware benötigt und damit beim alltäglichen Datenverkehr beispielsweise via Internet, Mobilfunk oder WLAN eingesetzt werden kann. Hier setzt die Arbeit von Prof. Dr. Christoph Wildfeuer und seinem Team an.

Über Digital Bytes

Digital Bytes ist der Wissenschaftsblog der Hochschule für Technik FHNW. Hier publizieren wir die interessantesten Ergebnisse aus unserer Forschung und Ausbildung und lassen unsere Expertinnen und Experten zu Wort kommen.
Sandro Nydegger

Sandro Nydegger ist verantwortlich für die Media Relations der Hochschule für Technik FHNW.

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