Q-Lab

Das Q-Lab ist das zentrale Labor am Forschungsinstitut CODE für die Themenbereiche Quantencomputing, Quantenkommunikation (Projekt MuQuaNet) und Post-Quantum-Kryptografie.

Quantencomputing

CODE beschäftigt sich seit mehreren Jahren wissenschaftlich mit Anwendungen, die mit universellen Quantencomputern umsetzbar sind. Gemäß der Planungsweisung 2022 des Bundesministeriums der Verteidigung sind die Bereiche Quantentechnologie, Digitalisierung und Innovationsfähigkeit Schlüsselaspekte für die Umsetzung eines zukunftsorientierten Personalmanagements. Vom FI CODE soll unter anderem die Nutzung der Quantentechnologie in Verbindung mit der mittelfristigen Beschaffung eines Quantencomputers sowie der Administration eines Quantencomputing-Hubs sichergestellt werden.

Seit 2018 betreibt das FI CODE an der Universität der Bundeswehr München als Mitglied des IBM Quantum-Networks einen von weltweit nur 16 exklusiven Zugängen zur IBM-Quantencomputer-Infrastruktur, ein sogenanntes IBM Q-Hub. Die derzeitige Verfügbarkeit von kleinen, mit Rauschen behafteten Quantencomputern (20 –65 Qubits) ermöglicht es uns, Quantenalgorithmen und -heuristiken sowie Fehlerminderungsschemata zu testen.

Unterzeichnung des IBM Q-Hub-Vertrages auf der CODE 2018


Ziele und Anwendungsmöglichkeiten

Neben dem maschinellen Lernen sind Vielteilchenphysik und Optimierung mit hybriden Variationsalgorithmen die vielversprechendsten ersten Anwendungen. In Zukunft werden weitere Quantenheuristiken entwickelt und im Rahmen von möglichen Anwendungsfällen getestet. Darüber hinaus entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Vielzahl von Methoden zur Fehlervermeidung.  Hierdurch wird am FI CODE bereits vor der Marktreife universeller Quantencomputer nachhaltig Expertise in der Entwicklung von Quantenalgorithmen und der Nutzung von Quantencomputern aufgebaut, die auch für die Bundeswehr wertvoll ist.

IBM Quantum Hummingbird_CR_Connie_Zhou_IBM.jpg


Kontaktinformationen zum IBM Q Hub

Dr. Wolfgang Gehrke, wolfgang.gehrke@unibw.de, +49 89 6004 7314
Dr. Sabine Tornow, sabine.tornow@unibw.de, +49 89 6004 7315


Quantenkommunikation

Leistungsfähige, universelle, skalierbare Quantencomputer würden praktisch alle heute eingesetztenPublic-Key-Verschlüsselungs- und Schlüsselaustauschverfahren unsicher machen. Betroffen sind dabei Vertraulichkeitsdienste mit einem langfristigen Schutzbedarf, wie zum Beispiel der Austausch persönlicher Nachrichten, Videokonferenzen oder Onlinebanking, sowie Signaturzertifikate mit langen Laufzeiten. Zur Gewährleistung der staatlichen Souveränität ist die sensible und zum Teil eingestufte militärische Kommunikation besonders abzusichern.

Quantum Key Distribution QKD (Verteilung von Quantenschlüsseln) ist ein Verfahren, das die physikalischen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzt, um zwei oder mehreren Parteien einen gemeinsamen, sicheren Schlüssel für die Kommunikation zur Verfügung zu stellen. Der Vorteil des Quantenschlüsselaustauschs gegenüber klassischen Verfahren zur Schlüsselverteilung besteht darin, dass die damit erreichte Sicherheit auf bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruht und nicht auf Annahmen über die Leistungsfähigkeit von Computern und Algorithmen oder über die Verlässlichkeit von Vertrauenspersonen. Die Sicherheit der verschiedenen Verfahren des Quantenschlüsselaustauschs entsteht dadurch, dass ein Angreifer, der die Schlüsselübertragung abhört, bemerkt wird, ja sogar die Menge der von ihm abgegriffenen Informationen gemessen werden kann.

Eine Quantum Communication Infrastructure (QCI) ist ein Kommunikationsnetz in dem mittels Quantum Key Distribution (QKD, Verteilung von Quantenschlüsseln), eine hochsichere Form der Schlüsselverteilung ermöglicht wird.

Ziel ist es, eine solche Infrastruktur zwischen den Standorten DLR (Oberpfaffenhofen), der LMU (Fakultät für Physik, München-Maxvorstadt), der ZITIS (ZAMDORF), dem FI CODE (CASCADA Gebäude, München Neuperlach), dem dtec.bw-Gebäude, dem Campus der UniBw M (Neuperlach) und Airbus (Taufkirchen) zu installieren. Die QCI kann dann sukzessive durch Anbindung weiterer Standorte ausgebaut werden. Diese QCI könnte zukünftig an die auf EU Ebene geplante QCI-Infrastuktur angebunden werden.


Post-Quanten-Kryptografie (PQC)

Die Verfügbarkeit von Quantencomputern stellt eine Bedrohung für die derzeit verwendeten asymmetrischen kryptographischen Algorithmen dar (hauptsächlich RSA und ECC). Für die Vielzahl an Geräten, die (physikalisch) nicht in der Lage sind, einen symmetrischen Kommunikationsschlüssel über QKD zu etablieren, sind hierbei klassische quantenresistente Algorithmen unabdingbar. Insbesondere auch bereits verbaute eingebettete Systeme könnten so gegen Quantenattacken abgesichert kommunizieren.

Eingebetteter Chip


Diese sogenannte Post-Quanten-Algorithmen befinden sich derzeit in der finalen Standardisierungsrunde des NIST-Standardisierungsprozesses und unterteilen sich in verschiedene Gruppen. Jede Gruppe basiert auf einem mathematischen Problem, welches nach aktuellem Stand quantenresistent ist. Des Weiteren bieten die verschiedenen Klassen unterschiedliche Vor- und Nachteile, beispielsweise in Bezug auf Performance und Sicherheitsparameter.

Die Forschung am FI CODE konzentriert sich derzeit auf die Anwendungssicherheit von gitterbasierten Algorithmen. Dies beinhaltet die Erforschung der Auswirkungen von Fehler- und klassischen Seitenkanalattacken, deren Kombination sowie die Erforschung von Gegenmaßnahmen.


Aktuelle Quantenforschung und Projekte im Q-Lab des FI CODE

Quantencomputing @ IBM Q-Hub

  • Optimierung und Maschinelles Lernen mit Anwendungen in der (Cyber-) Sicherheit und im Lieferkettenmanagement
  • Anwendungen in der Chemie/Biologie und Materialentwicklung
  • Optimierung von Quantenschaltungen und Fehlerminderungstechniken

 Quantenkommunikation

  • Sichere Schlüsselverteilung (QKD) → Absicherung der Kommunikation mit Methoden der Quantenphysik
  • Aufbau eines QKD-Testnetzes - FI CODE in Kooperation mit DLR und LMU (Projekt MuQuaNet)

Post-Quanten-Kryptographie

  • PQC-Forschungsprojekt in Kooperation mit Infineon:
    • Forschung an Fehlerattacken
    • Forschung an Seitenkanalattacken
    • Forschung an Gegenmaßnahmen (Differential Power Analysis)
    • Optimieren der Performance von seitenkanalabgesicherten Methoden

 

Ausbildung und Training

  • Workshops
  • Module im Master-Studiengang
  • Hackathons für Studierende

Weitere Informationen

Coverbild des Flyers mit Ausschnitt des IBM-Quantencomputers
Einen Überblick über die Quantenforschung am FI CODE bietet unser
>> Flyer (PDF, 0.8 MB)



Zusätzliche Informationen finden Sie auch auf dem virtuellen Messestand des FI CODE.

QHub_IBM-Banner.png

 


Bilder
Oben: Vertragsunterzeichung IBM-Q-Hub: Im Vordergrund (links nach rechts): Dr. Alessandro Curioni (IBM Fellow, Vice President Europe and Director IBM Research Zürich), Prof. Dr. Merith Niehuss (Präsidentin UniBw M), Sreeram Visvanathan (IBM Global Managing Director, Government); im Hintergrund (links nach rechts): Volker Eiseler (Geschäftsführer FI CODE), Prof. Dr. Gabi Dreo (Gründungsdirektorin FI CODE), Prof. Klaus Buchenrieder, PhD (ehem. Technischer Direktor FI CODE (
© Claus Schunk)
Mitte: IBM Quantum-Prozessor "Hummingbird" (© IBM/Zhou)
Unten: Chips mit PQC-Verschlüsselung könnten in Zukunft vor Angriffen mit Quantencomputern schützen.  (© AdobeStock/James Thew)